Ερευνητές στην Κίνα ανέπτυξαν έναν νέο καταλύτη που βοήθησε μια μπαταρία λιθίου-θείου (μπαταρία Li-S) να διατηρήσει το 93% της χωρητικότητάς της μετά από 600 κύκλους φόρτισης-εκφόρτισης.
Αυτό αποτελεί ένα βήμα που θα μπορούσε να αντιμετωπίσει ένα από τα μεγαλύτερα εμπόδια για την εμπορική αξιοποίηση αυτής της υψηλής ενεργειακής χημείας μπαταριών.
Μια ομάδα υπό τον καθηγητή Jie Sun στο Πανεπιστήμιο Shaanxi Normal δήλωσε ότι το υλικό, ένας καταλύτης στερεού διαλύματος νιτριδίου τιτανίου-χρωμίου, σχεδιάστηκε για να παγιδεύει και να μετατρέπει γρήγορα τις πολυσουλφίδες λιθίου.
Αυτές οι ενώσεις θεωρούνται ευρέως η κύρια αιτία του “shuttle effect”, που μειώνει τη διάρκεια ζωής της μπαταρίας και την απόδοση
Οι ερευνητές ανέφεραν ότι ο νέος σχεδιασμός βελτίωσε τόσο τη μακροχρόνια σταθερότητα όσο και την ταχύτητα των αντιδράσεων μέσα στη μπαταρία.
Αν μπορεί να παραχθεί σε κλίμακα, η εξέλιξη αυτή θα μπορούσε να υποστηρίξει μελλοντική χρήση μπαταριών Li-S σε ηλεκτρικά οχήματα, συστήματα αεροπορίας και αποθήκευση ενέργειας μεγάλης κλίμακας.
Οι μπαταρίες Li-S έχουν προσελκύσει ενδιαφέρον επειδή προσφέρουν πολύ υψηλότερη θεωρητική ενεργειακή πυκνότητα από τις συμβατικές μπαταρίες ιόντων λιθίου, ενώ χρησιμοποιούν θείο, ένα υλικό χαμηλότερου κόστους και ευρέως διαθέσιμο.
Η χημεία αυτή προσφέρει θεωρητική ειδική χωρητικότητα 1675 mAh g⁻¹ και ενεργειακή πυκνότητα έως 2600 Wh kg⁻¹, σημαντικά υψηλότερη από τις μπαταρίες ιόντων λιθίου, καθιστώντας την ισχυρό υποψήφιο για συστήματα αποθήκευσης επόμενης γενιάς.
Ατομική ρύθμιση
Η ομάδα παρήγαγε εύκαμπτες μεμβράνες CNFs@TCN μέσω ηλεκτροϊνοποίησης και νιτρίδωσης υψηλής θερμοκρασίας.
Με ρύθμιση της αναλογίας προδρόμων τιτανίου και χρωμίου, έλεγξαν συνεχώς τη δομή του καταλύτη σε ατομικό επίπεδο.
«Η βασική καινοτομία αυτής της έρευνας μπαταριών έγκειται στην επίτευξη “ακριβούς ρύθμισης” της ηλεκτρονικής δομής του υλικού μέσω συνεχούς προσαρμογής της σύστασης στο στερεό διάλυμα TixCr1-xN σε ατομική κλίμακα.»
Οι ερευνητές ανέφεραν ότι το υλικό δεν είναι απλό μείγμα αλλά φάση στερεού διαλύματος σχεδιασμένη για βελτίωση της καταλυτικής συμπεριφοράς.
Τα νιτρίδια μεταβατικών μετάλλων επιλέχθηκαν λόγω της ισχυρής χημικής αλληλεπίδρασής τους με τις πολυσουλφίδες και της ικανότητάς τους να διευκολύνουν τη μεταφορά ηλεκτρονίων, και τα δύο κρίσιμα για τη σταθεροποίηση των μπαταριών Li-S.
Μοντέλα και πειράματα έδειξαν ότι η καλύτερη απόδοση επιτεύχθηκε με λόγο τιτανίου προς χρώμιο 1:2.
Σε αυτή τη μορφή, ο καταλύτης εμφάνισε ισχυρότερη προσρόφηση πολυσουλφιδίων και ταχύτερη μεταφορά φορτίου από καθαρό TiN ή CrN.
Αυτή η βελτιστοποιημένη διαμόρφωση επέτρεψε στο υλικό να ισορροπήσει τη χημική παγίδευση με την αποδοτική ηλεκτροχημική μετατροπή.
Τελικά, ο συνδυασμός βελτίωσε τόσο την παγίδευση ανεπιθύμητων ενδιάμεσων προϊόντων όσο και τη μετατροπή τους κατά τη λειτουργία της μπαταρίας, αντιμετωπίζοντας άμεσα τις βασικές αιτίες απώλειας χωρητικότητας και κακής κυκλικής σταθερότητας.
Ισχυρά αποτελέσματα κύκλων – Σημαντική καταστολή του φαινομένου “shuttle effect”
Σε δοκιμές απόδοσης, το ηλεκτρόδιο CNFs@TCN-1/2 παρείχε ειδική χωρητικότητα 801 mAh g⁻¹ και διατήρησε το 93% της χωρητικότητάς του μετά από 600 κύκλους στα 2 C. Ο ρυθμός απώλειας χωρητικότητας που αναφέρθηκε ήταν 0,012% ανά κύκλο.
Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι ο καταλύτης μπορεί να καταστείλει σημαντικά το φαινόμενο “shuttle effect”, υποστηρίζοντας σταθερή λειτουργία σε μακροχρόνιους κύκλους, δύο βασικές προκλήσεις για τις μπαταρίες Li-S.
Τα αποτελέσματα υποδηλώνουν επίσης βελτιωμένη κινητική αντιδράσεων, απαραίτητη για τη διατήρηση της απόδοσης κατά την επαναλαμβανόμενη φόρτιση και εκφόρτιση.
Εν γένει, η εργασία αυτή δείχνει ότι η ατομική τροποποίηση μέσω κατασκευής στερεού διαλύματος αποτελεί ισχυρή στρατηγική για τη ρύθμιση της καταλυτικής απόδοσης των νιτριδίων μεταβατικών μετάλλων.»
Η ομάδα ανέφερε ότι η προσέγγιση αυτή θα μπορούσε επίσης να χρησιμοποιηθεί για τον σχεδιασμό καταλυτών για άλλες τεχνολογίες αποθήκευσης και μετατροπής ενέργειας, επεκτείνοντας τη σημασία της πέρα από τα συστήματα Li-S.
Εάν αναπτυχθεί περαιτέρω, η στρατηγική θα μπορούσε να συμβάλει σε πιο ανθεκτικές και αποδοτικές χημείες μπαταριών κατάλληλες για μεγάλης κλίμακας εφαρμογές καθαρής ενέργειας.
(Η μελέτη δημοσιεύθηκε στο επιστημονικό περιοδικό Nano Research)
www.worldenergynews.gr
