Naukowcy odkryli nieoczekiwaną drogę do akumulatorów o dużej mocy, niskim koszcie i długiej żywotności

Bateria litowo-siarkowa ma przewagę nad akumulatorami litowo-jonowymi, ale ze względu na krótką żywotność nie osiągnęła dominacji na rynku. Naukowcy z Narodowego Laboratorium Argonne przy Departamencie Energii odkryli niedawno mechanizm reakcji, który może rozwiązać ten problem, obiecując bardziej zrównoważoną technologię akumulatorów.

Naukowcy odkrywają nieoczekiwaną ścieżkę optymalizacji akumulatorów litowo-siarkowych poprzez wizualizację interakcji na poziomie atomowym.

Droga od odkryć laboratoryjnych do zastosowań w świecie rzeczywistym może być długa i wymagająca. Weźmy na przykład baterię litowo-siarkową. Chociaż ma on ogromne zalety w porównaniu z istniejącymi akumulatorami litowo-jonowymi stosowanymi w pojazdach, nie wywarł dużego wpływu na rynek pomimo lat rygorystycznego rozwoju.

Niewykluczone, że sytuacja ta ulegnie w przyszłości zmianie dzięki wysiłkom naukowców z Departamentu Energii USA (Ministerstwo Energii) Krajowe Laboratorium Argonne. W ciągu ostatniej dekady dokonali kilku kluczowych odkryć związanych z akumulatorami litowo-siarkowymi. Ich najnowsze odkrycie, opublikowane w czasopiśmie Nature, ujawnia nieznany wcześniej mechanizm reakcji, który eliminuje główną wadę: bardzo krótką żywotność baterii.

powiedział Gui-Liang Xu, chemik z Wydziału Nauk Chemicznych i Inżynierii Argonne „Wysiłki naszego zespołu mogą przybliżyć Stany Zjednoczone o jeden duży krok do bardziej ekologicznego i zrównoważonego transportu.

Baterie litowo-siarkowe oferują trzy ważne zalety w porównaniu z obecnymi bateriami litowo-jonowymi. Po pierwsze, w danej objętości mogą zmagazynować od dwóch do trzech razy więcej energii, co przekłada się na większy zasięg pojazdu. Po drugie, jego niski koszt, w połączeniu z obfitością i przystępnością cenową siarki, sprawia, że ​​jest ona opłacalna. Wreszcie akumulatory te nie są uzależnione od zasobów krytycznych, takich jak kobalt i nikiel, których w przyszłości może brakować.

Różne ścieżki reakcji od polisiarczku litu (Li₂S₆) do siarczku litu (Li₂S) w akumulatorach litowo-siarkowych z (po lewej) i bez (po prawej) katalizatorem w katodzie siarkowej. Źródło: Krajowe Laboratorium Argonne

Pomimo tych korzyści przejście od sukcesu laboratoryjnego do opłacalności komercyjnej okazało się nieuchwytne. Ogniwa laboratoryjne wykazały obiecujące wyniki, ale po zwiększeniu skali do rozmiarów komercyjnych ich wydajność gwałtownie spada wraz z wielokrotnym ładowaniem i rozładowywaniem.

Podstawową przyczyną tego spadku wydajności jest rozpuszczalność siarki z katody podczas wyładowania, co prowadzi do tworzenia rozpuszczalnego polisiarczku litu (Li₂S₆). Związki te przedostają się do elektrody ujemnej (anody) litu metalicznego podczas ładowania, zaostrzając problem. Zatem utrata siarki z katody i zmiany w składzie anody znacznie pogarszają wydajność akumulatora podczas jazdy na rowerze.

w ostatnich dniach Poprzednie badanieNaukowcy z firmy Argonne opracowali katalizator, który dodany w niewielkiej ilości do katody siarkowej zasadniczo eliminuje problem utraty siarki. Chociaż katalizator ten wykazał obiecujące wyniki zarówno w ogniwach komercyjnych, jak i laboratoryjnych, jego mechanizm działania na poziomie atomowym pozostawał do tej pory tajemnicą.

Najnowsze badania zespołu rzuciły światło na ten mechanizm. W przypadku braku katalizatora na powierzchni katody tworzy się polisiarczek litu, który ulega szeregowi reakcji, ostatecznie przekształcając katodę w siarczek litu (Li₂S).

„„Ale niewielka ilość katalizatora na katodzie robi dużą różnicę” – powiedział Xu„Następnie następuje zupełnie inna droga reakcji, pozbawiona pośrednich etapów reakcji.

Kluczem jest gęste ukształtowanie Skala nano Pęcherzyki polisiarczku litu na powierzchni katody, które nie pojawiają się bez katalizatora. Polisiarczki litu szybko dyfundują w całej strukturze katody podczas wyładowania i przekształcają się w siarczek litu, który składa się z kryształów wielkości nano. Proces ten zapobiega utracie siarki i zmniejszeniu wydajności ogniw o rozmiarach komercyjnych.

Aby otworzyć czarną skrzynkę dotyczącą mechanizmu reakcji, naukowcy wykorzystali zaawansowane techniki charakteryzowania. Analizy struktury katalizatorów z wykorzystaniem intensywnych synchrotronowych wiązek rentgenowskich w linii wiązki 20-BM W przypadku zaawansowanego źródła fotonów, a Ministerstwo Energii Biuro użytkownika Office of Science ujawniło, że odgrywa on kluczową rolę w przebiegu reakcji. Struktura katalizatora wpływa na kształt i skład produktu końcowego przy wyładunku, a także produktów pośrednich. W przypadku katalizatora po całkowitym rozładowaniu tworzy się nanokrystaliczny siarczek litu. Bez katalizatora zamiast tego tworzą się mikroskopijne struktury w kształcie pręta.

Inna biotechnologia opracowana na Uniwersytecie w Xiamen umożliwiła zespołowi wizualizację granicy między elektrodą a elektrolitem w nanoskali podczas działania komory testowej. Ta nowo wynaleziona technika pomogła powiązać zmiany w nanoskali z zachowaniem funkcjonującej komórki.

„W oparciu o nasze ekscytujące odkrycie przeprowadzimy więcej badań w celu zaprojektowania lepszych katod siarkowych” – zauważył Xu. „Przydatne byłoby również zbadanie, czy mechanizm ten ma zastosowanie do innych akumulatorów nowej generacji, takich jak akumulatory sodowo-siarkowe”.

Dzięki temu najnowszemu osiągnięciu zespołu przyszłość akumulatorów litowo-siarkowych wygląda jeszcze lepiej, zapewniając bardziej zrównoważone i przyjazne dla środowiska rozwiązanie dla branży transportowej.

Odniesienie: „Wizualizacja zachowań grupowych interakcji twarzą w twarz w przypadku akumulatorów Li-S” autorstwa Shiyuan Zhou, Jie Shi, Sangui Liu, Gen Li, Fei Pei, Youhu Chen, Junxian Deng, Qizheng Zheng, Jiayi Li, Chen Zhao, Inhui Hwang, Cheng- Jun Sun, Yuzi Liu, Yu Ding, Ling Huang, Yu Qiao, Gui Liang Xu, Jianfeng Chen, Khalil Amin, Shi Gangsen, Hong Gangliao 6 września 2023 r. Natura.
doi: 10.1038/s41586-023-06326-8

Oprócz Xu autorami są Xiyuan Zhu, Ji Shi, Sangui Liu, Jin Li, Fei Bai, Yuehu Chen, Junxian Deng, Qizheng Zheng, Jiayi Li, Chen Zhao, Anhui Huang, Cheng Junsun, Yuzi Liu, Yu Ding Wuling Huang , Yu Qiao, Jianfeng Chen, Khalil Amin, Shigang Sun i Honggang Liao.

Inne instytucje uczestniczące to Uniwersytet w Xiamen, Uniwersytet Technologii Chemicznej w Pekinie i Uniwersytet w Nanjing. Badania Argonne były wspierane przez Biuro Technologii Pojazdów Departamentu Energii w Biurze ds. Efektywności Energetycznej i Energii Odnawialnej.

W badaniu tym wykorzystano zasoby z Advanced Photon Source, obiektu użytkownika amerykańskiego Departamentu Nauki DOE, obsługiwanego na rzecz Biura Nauki DOE przez Argonne National Laboratory pod numerem kontraktu DE-AC02-06CH11357.