Katody na bazie krzemu stabilizują ogniwa Li-S. Efekt: więcej niż 2 cykle ładowania zamiast kilkudziesięciu

Naukowcy z Daegu Institute of Science and Technology (DGIST, Korea Południowa) opracowali krzemową katodę, która ma wytrzymać ponad 2 cykle ładowania w ogniwach Li-S. Klasyczne ogniwa litowo-jonowe wykorzystują czysty krzem w anodach, aby uzupełniać i stopniowo zastępować grafit. Zastosowano tutaj tlenek krzemu, aw katodzie dwutlenek krzemu.

Ogniwo Li-S = anoda litowa, katoda krzemionkowo-siarkowa

Ogniwa Li-S są uważane za interesujące ze względu na wysoką gęstość energii, wagę i niski koszt produkcji. Jednak nikomu nie udało się jeszcze stworzyć takiej wersji, która wytrzymałaby więcej niż kilkadziesiąt cykli ładowania. Dzieje się tak za sprawą polisiarczków litu (LiPS), które podczas rozładowywania rozpuszczają się w elektrolicie i reagują z anodą, zmniejszając jej pojemność i w efekcie niszcząc akumulator.

Możliwe, że południowokoreańscy badacze znaleźli rozwiązanie problemu. Zamiast materiałów na bazie węgla (takich jak grafit) zastosowano w katodzie. struktura lamelarna mezoporowatej krzemionki (POMS).

Rozumie się strukturę płytkową, natomiast mezoporowatość odnosi się do akumulacji porów (wnęk) w krzemionce, które mają planowaną wielkość, gęstość powierzchniową i małe rozproszenie wielkości (źródło). To trochę tak, jakby regularnie przekłuwać obok siebie płyty jakiegoś krzemianu, żeby stworzyć sito.

Naukowcy z DGIST wykorzystali te dziury do osadzania się w nich siarki (ryc. a). Podczas wyładowania siarka rozpuszcza się i tworzy z litem polisiarczki litu (LiPS). Zatem ładunek przepływa, ale LiPS pozostaje uwięziony w pobliżu katody z powodu dodatkowego, niezdefiniowanego współczynnika węgla (czarna struktura, rysunek b).

Podczas ładowania LiPS uwalnia lit, który jest zawracany do anody litowej. Z drugiej strony siarka zamienia się w krzemionkę. Brak wycieków LiPS do anody, brak uszkodzeń metalu.

Powstały w ten sposób akumulator Li-S utrzymuje wysoką pojemność i stabilność przez ponad 2 cykle pracy. Za standard dla klasycznych ogniw Li-ion uważa się co najmniej 500-700 cykli pracy, choć warto dodać, że dobrze przetworzone ogniwa litowo-jonowe wytrzymują kilka tysięcy cykli.