Αν και οι μπαταρίες ιόντων λιθίου (LIBs) παραμένουν οι πιο διαδεδομένες επαναφορτιζόμενες μπαταρίες παγκοσμίως, οι μηχανικοί ενέργειας δοκιμάζουν διάφορες εναλλακτικές λύσεις με διαφορετικές χημικές βάσεις. Σε αυτές περιλαμβάνονται οι μπαταρίες λιθίου-θείου, οι οποίες αποθηκεύουν και απελευθερώνουν ενέργεια μετακινώντας ιόντα λιθίου μεταξύ δύο ηλεκτροδίων στις αντίθετες πλευρές ενός στοιχείου, ενώ το θείο υφίσταται αντιδράσεις στην κάθοδο (δηλαδή στο θετικό ηλεκτρόδιο).
Οι μπαταρίες
Οι μπαταρίες λιθίου-θείου θα μπορούσαν να προσφέρουν αρκετά πλεονεκτήματα, όπως υψηλή ενεργειακή πυκνότητα και χαμηλότερο κόστος παραγωγής, καθώς το θείο αφθονεί και μπορεί να αποθηκεύσει σημαντικό φορτίο σε σχέση με τη μάζα του. Παρά τις δυνατότητές τους, οι μπαταρίες αυτές παρουσιάζουν συχνά χαμηλές τάσεις λειτουργίας (δηλαδή τη δύναμη που ωθεί το ρεύμα), αργές αντιδράσεις μεταφοράς ηλεκτρονίων και απώλειες ενέργειας που οφείλονται στη μετακίνηση ενώσεων θείου μεταξύ των ηλεκτροδίων.
Ερευνητές από το Πανεπιστήμιο του Μέριλαντ, το Πανεπιστήμιο Βάντερμπιλτ, το Εθνικό Εργαστήριο Μπρούκχεϊβεν και άλλα ιδρύματα παρουσίασαν πρόσφατα έναν νέο ηλεκτρολύτη με τη μορφή ιοντικού υγρού, ο οποίος θα μπορούσε να βελτιώσει την απόδοση των μπαταριών λιθίου-θείου. Αυτός ο ηλεκτρολύτης, που παρουσιάστηκε σε μελέτη η οποία δημοσιεύτηκε στο περιοδικό *Nature Energy*, διαπιστώθηκε ότι αυξάνει τόσο την τάση όσο και την αποθήκευση ενέργειας στις μπαταρίες λιθίου-θείου.
«Το αρχικό μας ερώτημα ήταν απλό: θα μπορούσαμε να αντλήσουμε περισσότερη ενέργεια από το θείο, ένα άφθονο και φθηνό υλικό;» δήλωσε στο Tech Xplore ο καθηγητής Chunsheng Wang, κύριος συγγραφέας της μελέτης. «Προηγούμενες εργασίες της ομάδας μου σχετικά με υλικά μπαταριών με βάση το χλώριο και το βρώμιο μάς ενέπνευσαν να χρησιμοποιήσουμε αλογόνα για την οξείδωση του θείου σε υψηλό δυναμικό, αυξάνοντας περαιτέρω την ενεργειακή πυκνότητα».
Υπέρβαση των περιορισμών των συμβατικών μπαταριών λιθίου-θείου
Στις συμβατικές μπαταρίες λιθίου-θείου, κάθε άτομο θείου προσλαμβάνει ή αποδίδει δύο ηλεκτρόνια στην κάθοδο κατά τη διάρκεια της φόρτισης και της εκφόρτισης, ενώ τα ηλεκτρόνια αυτά ρέουν μέσω του εξωτερικού ηλεκτρικού κυκλώματος της μπαταρίας. Ο καθηγητής Wang και οι συνεργάτες του θέλησαν να καταστήσουν διαθέσιμο ένα τρίτο ηλεκτρόνιο για μεταφορά, επιτρέποντας έτσι στην ίδια ποσότητα θείου να αποθηκεύει περισσότερο φορτίο σε υψηλότερη τάση.
«Το κρίσιμο σημείο ήταν ότι αυτή η επιπλέον αντίδραση έπρεπε να λειτουργεί επανειλημμένα, χωρίς να καταναλώνεται συνεχώς το υγρό στο εσωτερικό της μπαταρίας», εξήγησε ο Δρ. Nan Zhang, πρώτος συγγραφέας της μελέτης και μεταδιδακτορικός ερευνητής στην ομάδα του Δρ. Wang. Στο πλαίσιο της μελέτης τους, οι ερευνητές δοκίμασαν διάφορους ηλεκτρολύτες με διαφορετικές αναλογίες άλατος λιθίου και ενός ιοντικού υγρού που περιείχε χλωρίδιο. Στη συνέχεια, ο καθηγητής De-en Jiang και ο υποψήφιος διδάκτορας Jinyi Zhang από το Πανεπιστήμιο Vanderbilt πραγματοποίησαν προσομοιώσεις σε υπολογιστή για να μοντελοποιήσουν την κίνηση και τις αλληλεπιδράσεις ατόμων και μορίων σε μπαταρίες που χρησιμοποιούσαν αυτούς τους ηλεκτρολύτες. Τελικά, η ομάδα εντόπισε τον ηλεκτρολύτη με την καλύτερη απόδοση και τον χρησιμοποίησε για τον σχεδιασμό μιας μπαταρίας λιθίου-θείου με διαφορετική εσωτερική χημεία.
Αξίζει να σημειωθεί ότι το διχλωριούχο δισθέιο που παράγεται κατά τη φόρτιση των μπαταριών λιθίου-θείου δεν αναμιγνύεται εύκολα με τον ηλεκτρολύτη της ομάδας. Αυτό βοηθά στη συγκράτηση της ένωσης εντός της καθόδου πορώδους άνθρακα, εμποδίζοντάς την να μετακινηθεί στο εσωτερικό της μπαταρίας και να αντιδράσει με το μεταλλικό λίθιο, γεγονός που θα οδηγούσε σε απώλεια της αποθηκευμένης ενέργειας.
«Εξετάσαμε την ποσότητα φορτίου που μπορούσαν να αποθηκεύσουν οι μπαταρίες, την απόδοσή τους σε διαφορετικές ταχύτητες φόρτισης και εκφόρτισης, καθώς και τη συμπεριφορά τους κατά την επαναλαμβανόμενη χρήση», δήλωσε ο καθηγητής Wang. «Δοκιμάσαμε επίσης ένα επίπεδο πρωτότυπο σε μορφή θύλακα (pouch cell). Μετρήσεις με ακτίνες Χ και λέιζερ κατέγραψαν τις χημικές μεταβολές. Υπολογισμοί και προσομοιώσεις σε υπολογιστή, συμπεριλαμβανομένης της θεωρίας συναρτησιακού πυκνότητας (DFT) και της μοριακής δυναμικής (MD), μας βοήθησαν να κατανοήσουμε τις αντιδράσεις και τον τρόπο λειτουργίας του ηλεκτρολύτη σε ατομικό επίπεδο».
Προς μπαταρίες λιθίου-θείου με υψηλότερες τάσεις και χωρητικότητες
Στις αρχικές αξιολογήσεις, ο ηλεκτρολύτης και η χημεία μπαταρίας που πρότεινε η ομάδα απέδωσαν πολύ ελπιδοφόρα αποτελέσματα. Ο σχεδιασμός τους οδήγησε με επιτυχία σε μια αντίδραση οξειδοαναγωγής που περιλαμβάνει τρία αντί για δύο ηλεκτρόνια ανά άτομο θείου, αυξάνοντας τη χωρητικότητα και τη μέση τάση λειτουργίας της μπαταρίας που προέκυψε.
«Το κύριο επίτευγμά μας είναι ότι αντλούμε περισσότερη ενέργεια από το θείο αξιοποιώντας αυτή την πρόσθετη αντίδραση, και όχι απλώς προσθέτοντας περισσότερο θείο στην μπαταρία», δήλωσε ο καθηγητής Wang. «Στις δοκιμές μας, το φορτίο που αποδίδεται ανά γραμμάριο θείου αυξήθηκε κατά περίπου 58% και η μέση τάση ανέβηκε από τα 2,05 στα 2,54 Volt, σε σύγκριση με τη συμβατική μπαταρία λιθίου-θείου που χρησιμοποιήθηκε στη μελέτη μας».
Οι ερευνητές εκτίμησαν επίσης ότι η αύξηση της χωρητικότητας ανά μονάδα επιφάνειας της καθόδου θείου (δηλαδή της ποσότητας φορτίου που αποθηκεύεται ανά μονάδα επιφάνειας) θα μπορούσε να βελτιώσει την ειδική ενέργεια της μπαταρίας σε επίπεδο διάταξης στοιχείων (stack level). Χρησιμοποίησαν τη μέθοδό τους για να κατασκευάσουν ένα αρχικό πρωτότυπο τύπου θύλακα (pouch-type) και αξιολόγησαν την απόδοσή του στο εργαστήριο.
«Το πρωτότυπο τύπου θύλακα διατήρησε το 78% της αρχικής του χωρητικότητας αποθήκευσης φορτίου μετά από 100 κύκλους φόρτισης και εκφόρτισης», δήλωσε ο καθηγητής Wang. «Τα υλικά θείου-άνθρακα απέδωσαν περισσότερες από 1.700 βατ-ώρες ανά χιλιόγραμμο.»
Στο μέλλον, η χημική σύσταση της μπαταρίας που προτείνει η ομάδα και ο ηλεκτρολύτης που παρουσίασαν θα μπορούσαν να συμβάλουν στην υλοποίηση πιο αξιόπιστων μπαταριών λιθίου-θείου, με υψηλές χωρητικότητες και υψηλότερες τάσεις. Παράλληλα, ο καθηγητής Wang και οι συνεργάτες του σχεδιάζουν να συνεχίσουν τη βελτιστοποίηση της χημικής σύστασης του ηλεκτρολύτη τους, ώστε να επιτύχουν ακόμη καλύτερα αποτελέσματα.
«Τα ευρήματα αυτά αποδεικνύουν ότι η διαδικασία οξειδοαναγωγής θείου υψηλού σθένους είναι βιώσιμη, ανοίγοντας έναν νέο δρόμο προς μπαταρίες εξαιρετικά υψηλής ενεργειακής πυκνότητας», πρόσθεσε ο καθηγητής Wang. «Στόχος μας τώρα είναι να βελτιώσουμε τον ηλεκτρολύτη, ώστε η μπαταρία να έχει μεγαλύτερη διάρκεια ζωής και να λειτουργεί καλύτερα σε υψηλότερες ταχύτητες φόρτισης και εκφόρτισης. Επιπλέον, επιδιώκουμε να περιορίσουμε τις ανεπιθύμητες αντιδράσεις που σταδιακά καταναλώνουν αυτό το υγρό. Η επόμενη πρόκληση είναι να μετατρέψουμε τη χημική διαδικασία που επιδείξαμε σε μια πιο πρακτική επαναφορτιζόμενη μπαταρία.»
www.worldenergynews.gr
