Haladás a lítium-kén elemekben - az új katód kialakítás energiasűrű elemeket eredményez
Az új katód kialakítás az energiasűrű akkumulátorokat tartósabbá és erősebbé teszi
Továbbfejlesztett elemkoncepció: A kutatók több energiát és élettartamot adtak a lítium-kén akkumulátoroknak - a kénkatód új kialakításával. Ez megakadályozza a kénelektród degenerálódását még vastagabb kénrétegek esetén is, és lehetővé teszi az energia sűrűségét több mint 1200 milliamper óra/gramm értékben, amint azt a kutatók a "Science Advances" folyóiratban közölték. Ez gyakorlatilag használhatóvá teheti a lítium-kén akkumulátorokat a jövőben.
A lítium-ion akkumulátorok szinte minden mobileszközben megtalálhatók, az elektromos autókban és számos más akkumulátor-alkalmazásban. De ezeknek az akkumulátoroknak van néhány gyengesége: Idővel felrobbanhatnak, elveszíthetik kapacitásukat, és energiasűrűségük nem optimális - ez többek között korlátozza az elektromos autók körét. Ezért kutatók szerte a világon erősebb alternatívákat keresnek a lítium-ion akkumulátorokkal szemben; a lítium-fém elemeket, a nátrium-ion akkumulátorokat vagy a lítium-kén elemeket jelöltnek tekintik.
Kén grafit helyett
A lítium-kén akkumulátorok kén és szén keverékét használják katódként. Az akkumulátor lemerülésekor az anódon lévő fémlítium reagál a kénnel lítium-szulfidot képezve, ezáltal áramot szabadítva fel. Elméletileg a lítium-kén akkumulátorok szinte optimálisan nagy energiasűrűséget érnek el - és ezért jelentősen megnövelhetik az alacsonyabb tömegű elektromos autók körét.
De a gyakorlatban ezeknek az elemeknek van megfogása: az idő múlásával a katód szerkezete és térfogata drasztikusan megváltozik. Ennek eredményeként az akkumulátor teljesítménye minden töltési ciklusnál jelentősen csökken. "Az elektróda szétesésének ez a mellékhatása egyre hangsúlyosabbá válik, amikor a katód vastagsága növekszik" - magyarázzák Mahdokht Shaibani az ausztrál Monash Egyetemről és munkatársai.
Ezért a kutatók már hosszú élettartamú, nagy teljesítményű lítium-kén elemeket is gyártottak gombelemként, de a nagyobbak élettartama rossz.
A katód mikrostruktúrája optimalizált
Shaibani és csapata most megoldást talált erre a méretarányos problémára. Kénkatódokat fejlesztett ki, amelyek felépítése még nagyobb elemek esetén is minimalizálja a térfogat változását. A koncepció lényege a nátrium-karboxi-metil-cellulózokból (Na-CMC) készített kötőanyag, amely a ként és a szenet együtt tartja a katódnál, és ezáltal döntő befolyással van a viselkedésre és a mikrostruktúrára.
A kutatók új lítium-kén akkumulátoruk gyártási módszerét dolgozták ki, amely hatékonyabban és ugyanakkor finomabban osztja el a kötőanyagot a katód anyagában. "Ez lehetővé teszi mechanikailag erős hidak kialakítását az anyagok között, és egyedi architektúrájú katódokat hoz létre" - számol be Shaibani és munkatársai. "Ezeknek a katódoknak nagy a reakciófelülete, képesek ellenállni a töltési igényeknek, nagy az elektromos vezetőképességük és az ionáteresztő képességük."
Nagy hatékonyság és kapacitás
De mit hoz ez valójában? Ennek tesztelésére a kutatók az új konstrukció alapján kénkatódokat készítettek, és tasakcellákba építették őket - nagyobb, rugalmas héjú akkumulátorokba, például elektromos járművekbe. A teszt azt mutatta, hogy ezek a katódok több mint 1200 milliamper óra/gramm kapacitást értek el - ez körülbelül háromszorosa a hagyományos lítium-ion akkumulátorok értékének.
De még ennél is fontosabb: a lítium-kénes akkumulátorok alig veszítették el energiájukat több mint 200 töltési ciklus után sem. "Az ilyen vastagságú kénkatódok esetében ilyen szintű fenntartható kapacitás eddig nem érhető el" - állítják a tudósok. Ugyanakkor katódja 99 százalékos hatékonyságot ért el. "Tudomásunk szerint a kiváló ciklustabilitás és hatékonyság ez a kombináció egyedülálló az ilyen magas kéntartalmú katódok esetében" - jelentik.
Olcsó, környezetbarátabb és könnyen előállítható
A kutatók szerint gyártási módszerük megoldja a lítium-kén akkumulátorok skálázási problémáját, és így a jövőben a gyakorlatban is használhatóvá teheti nagy energiasűrűségüket. "Ez a megközelítés nem csak nagy teljesítményű és hosszú élettartamú elemeket biztosít számunkra, hanem könnyen és olcsón is előállítható" - magyarázza Matthew Hill társszerző, az ausztrál CSIRO kutatási szervezet.