Katode na bazi silicija stabiliziraju Li-S ćelije. Učinak: više od 2 ciklusa punjenja umjesto nekoliko desetaka

Znanstvenici s Daegu instituta za znanost i tehnologiju (DGIST, Južna Koreja) razvili su katodu na bazi silicija za koju se očekuje da će izdržati više od 2 ciklusa punjenja u Li-S ćelijama. Klasične litij-ionske ćelije koriste čisti silicij u anodama kako bi nadopunile i postupno zamijenile grafit. Ovdje je korišten silicijev oksid, a u katodi je korišten silicijev dioksid.

Li-S ćelija = litijeva anoda, silicij dioksidna katoda sa sumporom

Li-S ćelije se smatraju zanimljivim zbog svoje visoke gustoće energije, težine i niske cijene proizvodnje. No, još nitko nije uspio stvoriti verziju koja bi izdržala više od nekoliko desetaka ciklusa punjenja. Sve zbog litijevih polisulfida (LiPS), koji se tijekom pražnjenja otapaju u elektrolitu i reagiraju s anodom, smanjujući njezin kapacitet i, kao rezultat, uništavajući bateriju.

Moguće je da su južnokorejski istraživači pronašli rješenje problema. Umjesto materijala na bazi ugljika (kao što je grafit), koristili su katodu. lamelarna struktura mezoporoznog silicija (POMS).

Lamelarna struktura je razumljiva, dok se mezoporoznost odnosi na nakupljanje pora (šupljina) u silicij dioksidu koje imaju ciljnu veličinu, površinsku gustoću i malu disperziju (izvor). To je pomalo kao da redovito probijate susjedne ploče nekakvog silikata kako biste napravili sito.

Znanstvenici DGIST-a koristili su ove rupe za taloženje sumpora u njima (slika a). Tijekom pražnjenja, sumpor se otapa i tvori litijeve polisulfide (LiPS) s litijem. Dakle, naboj teče, ali LiPS ostaje zarobljen u blizini katode zbog dodatnog nedefiniranog faktora ugljika (crna struktura, slika b).

Tijekom punjenja, LiPS oslobađa litij koji se vraća u litijsku anodu. S druge strane, sumpor se pretvara u silicij. Nema curenja LiPS-a na anodu, nema oštećenja metala.

Ovako stvorena Li-S baterija zadržava visok kapacitet i stabilnost tijekom više od 2 radna ciklusa. Najmanje 500-700 ciklusa rada smatra se standardnim za klasične Li-ion ćelije, iako treba dodati da dobro obrađene litij-ionske ćelije mogu izdržati nekoliko tisuća ciklusa.