Baterije so povsod v vsakdanjem življenju, od mobilnih telefonov in pametnih ur do vse večjega števila električnih vozil. Večina teh naprav uporablja dobro znano tehnologijo litij-ionskih baterij.
Čeprav so litij-ionske baterije od svoje prve predstavitve prehodile dolgo pot, imajo tudi nekatere znane pomanjkljivosti, kot so kratka življenjska doba, pregrevanje in težave v dobavni verigi za nekatere surovine (afxbu342).
FSDRXX-3221 |Znanstveniki v nacionalnem laboratoriju Argonne ameriškega ministrstva za energijo (DOE) raziskujejo rešitve za te težave s preizkušanjem novih materialov za izdelavo baterij. Eden takih materialov je žveplo. Žveplo je izredno razširjeno in cenovno ugodno ter lahko zadrži več energije kot tradicionalne baterije na osnovi ionov.
V novi študiji so raziskovalci izpopolnili raziskave baterij na osnovi žvepla z ustvarjanjem plasti znotraj baterije, ki povečuje zmogljivost shranjevanja energije in hkrati skoraj odpravlja tradicionalno težavo žveplovih baterij, ki je povzročala korozijo.
Obetavna zasnova baterije združuje pozitivno elektrodo, ki vsebuje žveplo (katodo), z negativno elektrodo iz litijeve kovine (anodo). Med tema komponentama je elektrolit ali snov, ki omogoča prehod ionov med obema koncema baterije.
Prve litij-žveplove (Li-S) baterije niso delovale dobro, ker so se žveplove snovi (polisulfidi) raztapljale v elektrolitu in povzročale njegovo korozijo. Ta učinek premeščanja polisulfidov negativno vpliva na življenjsko dobo baterije in zmanjšuje število ponovnih polnjenj baterije.
Da bi preprečili ta polisulfidni premik, so prejšnji raziskovalci poskušali med katodo in anodo namestiti redoks-inaktivno vmesno plast.
Izraz "redoks-inaktivni" pomeni, da v materialu ne potekajo reakcije, kakršne potekajo v elektrodi. Vendar je ta zaščitna vmesna plast težka in gosta, kar zmanjšuje zmogljivost shranjevanja energije na enoto teže baterije. Prav tako ne zmanjšuje ustrezno premeščanja. To se je izkazalo za glavno oviro pri komercializaciji baterij Li-S.
Da bi to rešili, so raziskovalci razvili in preizkusili porozno vmesno plast, ki vsebuje žveplo. Preskusi v laboratoriju so pokazali približno trikrat večjo začetno zmogljivost celic Li-S s to aktivno vmesno plastjo v primerjavi z neaktivno. Še bolj impresivno je, da so celice z aktivnim vmesnim slojem ohranile visoko zmogljivost v 700 ciklih polnjenja in praznjenja.
"Prejšnji poskusi s celicami, ki so imele redoks-aktivno vmesno plast, so le zatrli premikanje, vendar so pri tem žrtvovali energijo za določeno težo celice, ker je plast dodala dodatno težo," je dejal Guiliang Xu, kemik iz Argonnea in soavtor članka. "Nasprotno pa naš redoks-aktivni sloj poveča zmogljivost shranjevanja energije in zavira učinek premetavanja."
Za nadaljnje preučevanje redoks-aktivne plasti je ekipa izvedla poskuse na žarkovni liniji 17-BM Argonnovega naprednega vira fotonov (APS), ki je uporabniški objekt Urada za znanost DOE. Podatki, zbrani z izpostavljanjem celic s to plastjo rentgenskim žarkom, so ekipi omogočili, da je ugotovila prednosti vmesne plasti.
Podatki so potrdili, da lahko redoks-aktivni vmesni sloj zmanjša premikanje, zmanjša škodljive reakcije v bateriji in poveča zmogljivost baterije, da zadrži več naboja in zdrži več ciklov. "Ti rezultati dokazujejo, da bi lahko redoks-aktivni vmesni sloj močno vplival na razvoj baterij Li-S," je dejal Wenqian Xu, znanstvenik na APS. "Smo korak bližje temu, da bomo to tehnologijo videli v našem vsakdanjem življenju."
Ekipa želi v prihodnje oceniti potencial rasti tehnologije redoks-aktivnega vmesnega sloja. "Želimo jo narediti veliko tanjšo in lažjo," je dejal Guiliang Xu.
Članek, ki temelji na raziskavi, je izšel 8. avgusta v reviji Nature Communications. Khalil Amine, Tianyi Li, Xiang Liu, Guiliang Xu, Wenqian Xu, Chen Zhao in Xiao-Bing Zuo so prispevali k članku.