Sumpor za EV baterije trostrukog kapaciteta

Znanstvenici Sveučilišta Drexel vide veliki potencijal u litij-sumpornim baterijama kao ekološki prihvatljivijim načinom za napajanje električnih automobila. To je zato što se ne oslanjaju na iste skupe i teško dostupne sirovine, kao što je kobalt, ali otklanjaju i druge probleme koji se odnose na njihovu stabilnost, a do sada su kočili razvoj tehnologije EV vozila. Istraživači su napravili iskorak za koji kažu da približava ove baterije komercijalnoj upotrebi korištenjem rijetke kemijske faze sumpora kako bi spriječili štetne kemijske reakcije.

Litij-sumporne baterije obećavaju mnogo kada je u pitanju pohrana energije, i to ne samo zato što je sumpor u izobilju i manje problematičan za izvor od kobalta, mangana i nikla koji se koriste u današnjim baterijama. Oni također mogu ponuditi značajna poboljšanja performansi, s potencijalom pohranjivanja nekoliko puta veće energije od današnjih litij-ionskih baterija. Ali postoji jedan problem s kojim se znanstvenici stalno susreću, a to je stvaranje kemijskih spojeva zvanih polisulfidi.

Dok baterija radi, oni se probijaju u elektrolit – otopinu koja prenosi naboj između anode i katode – gdje pokreću kemijske reakcije koje ugrožavaju kapacitet i životni vijek baterije. Znanstvenici su uspjeli zamijeniti karbonatni elektrolit za eterski elektrolit, koji ne reagira s polisulfidima. Ali to predstavlja druge probleme, budući da je sam eter elektrolit vrlo hlapljiv i sadrži komponente s niskim točkama vrelišta, što znači da bi baterija mogla brzo otkazati ili se rastopiti ako se zagrije iznad sobne temperature.

Istraživači sa Sveučilišta Drexel rade na drugom rješenju, a ono počinje dizajnom nove katode, koja može raditi s karbonatnim elektrolitima koji su već u komercijalnoj upotrebi. Ova katoda je izrađena od ugljičnih nanovlakana i već se pokazalo da usporava kretanje polisulfida u eterskom elektrolitu.

"Imati katodu koja radi s karbonatnim elektrolitom put je najmanjeg otpora za komercijalne proizvođače", rekao je glavni istraživač Vibha Kalra. "Dakle, umjesto da tjeramo da industrija usvoji novi elektrolit, naš cilj je bio napraviti katodu koja bi mogla raditi u već postojećem Li-ion elektrolitskom sustavu".

Znanstvenici su pokušali ograničiti sumpor u mreži od ugljičnih nanovlakna kako bi spriječili opasne kemijske reakcije koristeći tehniku ​​zvanu "dispozicija pare". To nije baš imalo željeni učinak, ali kako se pokazalo, zapravo je kristaliziralo sumpor na neočekivan način i pretvorilo ga u nešto što se zove monoklinski sumpor u gama fazi, malo izmijenjeni oblik elementa. Ova kemijska faza sumpora proizvedena je samo na visokim temperaturama u laboratoriju a viđena je u prirodi u naftnim bušotinama. Ono što je pogodno za znanstvenike je u tome što taj "novi sumpor" nije reaktivan s karbonatnim elektrolitom, čime se uklanja rizik od stvaranja polisulfida.

"U početku je bilo teško u to povjerovati, jer je u svim prethodnim istraživanjima monoklinički sumpor bio nestabilan na 95 °C", rekao je Rahul Pai, koautor istraživanja. "U prošlom stoljeću bilo je samo nekoliko studija koje su proizvele monoklinički gama sumpor i bio je stabilan najviše 20-30 minuta. Ali stvorili smo ga u katodi koja je prolazila kroz tisuće ciklusa punjenja i pražnjenja bez smanjenih performansi – a godinu dana kasnije, naše ispitivanje pokazuje da je kemijska faza ostala ista.

"Katoda je ostala stabilna tijekom godine dana testiranja i 4.000 ciklusa punjenja-pražnjenja, što je, prema znanstvenicima, ekvivalentno 10 godina redovite uporabe. Prototip baterije koji je tim napravio s ovom katodom nudio je trostruki kapacitet standardne litij-ionske baterije, otvarajući put ekološki prihvatljivijim baterijama koje omogućuju električnim vozilima da putuju mnogo dalje pri svakom punjenju.

Čitavu studiju objavljenu u časopisu Communications Chemistry možete pronaći na ovoj poveznici.