Ubytek siarki to nie problem

Obserwacje pracy działających baterii siarkowo-litowych pozwoliły na obalenie jednej z najpopularniejszych teorii ich dotyczących i umożliwią w przyszłości udoskonalenie tych obiecujących urządzeń.

Baterie siarkowo-litowe są bardzo interesującą alternatywą dla litowo-jonowych. Ich gęstość energetyczna jest bowiem pięciokrotnie większa i są znacznie tańsze. Takie właściwości są niezwykle pożądane w rozwijającym się przemyśle samochodów elektrycznych.

Niestety, te alternatywne źródła energii mają olbrzymią wadę - bardzo szybko się zużywają. Cykl życia baterii siarkowo-litowych jest bardzo krótki. Po kilkudziesięciu cyklach ładowania/rozładowywania staje się ona bezużyteczna. Nie nadaje się zatem do samochodów elektrycznych, gdzie musi przetrwać wiele tysięcy cykli podczas 10-20 lat użytkowania pojazdu - mówi Johanna Nelson ze SLAC National Accelerator Laboratory na Stanford University.

Obecnie uważa się, że przyczyną tak szybkiego zużywania się baterii jest zachodząca w nich reakcja chemiczna, wskutek której z katody ubywa siarki.

Podczas pracy baterii prąd produkowany jest gdy jony litu reagują z cząstkami siarki na katodzie. Produktem ubocznym reakcji jest powstawanie wielosiarczków litu. Problemy zaczynają się wówczas, gdy wielosiarczki trafią do elektrolitu i na stałe zwiążą się z litem z anody.

Nelson i jej koledzy wykorzystali krystalografię rentgenowską oraz transmisyjną mikroskopię rentgenowską do sprawdzenia tego, co dzieje się wewnątrz pracującej baterii. Odkryli, że zawartość siarki w katodzie praktycznie nie uległa zmianie.

Spodziewaliśmy się, że siarka całkowicie zniknie z katody i utworzy wielosiarczki w elektrolicie. Tymczasem okazało się,że większość siarki zostało na swoim miejscu, a cząsteczki utraciły niewielką część masy. Co prawda utworzyły wielosiarczki, ale większość z nich pozostawała w pobliżu katody.

Nelson wyjaśnia, na czym polegał błąd poprzednich zespołów naukowych, które badały baterie siarkowo-litowe. Zwykle zużywali oni baterię, rozbierali ją na części, zmywali elektrolit i przeprowadzali analizę za pomocą mikroskopu elektronowego lub krytalografii rentgenowskiej. Jeśli jednak tak zrobisz, to zmyjesz wielosiarczki luźno związane z katodą. I wówczas na katodzie nie widzisz siarki.

Co więcej okazało się, że nie występuje jeszcze jeden prognozowany problem. Wcześniejsze eksperymenty wykazały, że pod koniec cyklu rozładowywania baterii powstają kryształy Li2S. Wspólnie z wielosiarczkami mogą one tworzyć izolującą błonę, która uniemożliwia ruch elektronów i jonów litu.

Bardzo mocno rozładowywaliśmy baterie i nigdy nie zauważyliśmy Li2S w postaci kryształów - mówi Nelson.

Naukowcy z Uniwersytetu Stanforda mają nadzieję, że ich odkrycia skierują badania nad udoskonaleniem baterii siarkowo-litowych na właściwe tory.