Sciencemag.cz
Doporučujeme
Baterie Li-S mají oproti dnes běžným Li-Ion několik výhod, alespoň potenciálně. Patří k nim zejména nižší cena (síra je levnější než kobalt) a vyšší energetická hustota (teoreticky až 10krát než Li-Ion, i když v praxi zatím spíše jen 2-3krát).
Viz také: Baterie lithium-síra nabízejí větší kapacitu
I zde se jako přínos nové technologie uvádí zvýšení životnosti/nabíjecích cyklů.
Zatímco Li-Ion baterie má anodu z uhlíku a katodu z oxidu kovu (kobalt, dále často i mangan a nikl), baterie lithium-síra má v nejčastěji zkoumané podobě katodu ze síry a uhlíku a anodu z oxidu lithného. Problémem těchto baterií je ovšem životnost. Katoda rychle mechanicky degraduje, většinou již po desítkách nabíjecích cyklů, protože síra reaguje za vzniku polysulfidů a ty se pak rozpouštějí v elektrolytu (přitom síra je vlastním materiálem pro přenos elektronů, čili elektroda z uhlíku s malým podílem síry by sice byla stabilní, ale taková baterie by už zase měla nízkou hustotu uložené energie).
Hlavní cestou k inovacím je použití uhlíkového materiálu v nějaké speciální podobě (nanotrubičky, grafen…) tak, aby síra byla lépe chráněna. Např. výzkumníci z centra Rensselaer přišli již asi před 4 lety s uhlíkovou maticí, kterou vyráběli z lignosulfonátu (vedlejší produkt papírenského průmyslu).
Jiný projekt vycházel z elektrolytu na bázi éteru. Éter nereaguje s polysulfidy, jenže elektrolyt je pak vysoce těkavý a obsahuje složky s bodem varu už 42 °C. Jakékoli zahřátí baterie nad pokojovou teplotu by mohlo způsobit její selhání nebo i rovnou nějaké bezpečnostní riziko (roztavení, vznícení…).
Na Drexler University nyní zkusili jiný nápad, jak síru stabilizovat vůči elektrolytu (ten je v této Li-S baterii představuje uhličitan lithný v organickém rozpouštědle, podobně jako v Li-Ion). V prototypu baterie, který připravili, by systém měl vydržet 4 000 cyklů, prý prakticky bez zhoršení parametrů, a svou kapacitou/energetickou hustotou překonávat Li-Ion trojnásobně.
Katoda byla vyrobena z uhlíkových nanovláken, které měly omezovat pohyb polysulfidů. Autoři výzkumu pak zkusili síru zabudovat do těchto nanovláken pomocí napařování. To se pořádně nepodařilo, nicméně, jak se ukázalo, při tom náhodou došlo ke vzniku speciální modifikace síry. Při desublimaci síry se na povrchu uhlíkových nanovláken vytvořila jednoklonná (monoklinická) síra gama. Tato forma síry s uhličitanovým elektrolytem vůbec nereaguje. Dosud byla známa pouze z laboratoří, v přírodě byla pozorována pouze v extrémním prostředí ropných vrtů.
Zajímavé je, že jednoklonná síra gama je normálně nestabilní při teplotě pod 95° C (poznámka PH: což je za normálních podmínek ale zase vysoko nad bodem tání síry…?). Při pokojové teplotě se modifikace změnila na jinou už za necelou půl hodinu, v rámci experimentu na Drexler University ale vydržela rok (navíc při provozu baterie, oněch 4 000 cyklů výše). Příčina této nečekané stability zatím není známa, asi jde právě o důsledek propojení s uhlíkovým nanovláknem.
Podle autorů výzkumu by baterie Li-S mohly navíc představovat jen první krok v inovaci baterií, po nich by mohlo přijít na řadu i lithium. Třeba by v kombinaci se sírou mohl lépe fungovat sodík (samotné baterie Na-Ion se zatím také nepodařilo prosadit do praxe).
Stabilization of gamma sulfur at room temperature to enable the use of carbonate electrolyte in Li-S batteries, Communications Chemistry, DOI: 10.1038/s42004-022-00626-2, www.nature.com/articles/s42004-022-00626-2
Zdroj: Drexel University / TechXplore.com a další
Credit: Drexel University
Viz také: Fluorografen by mohl otevřít cestu bateriím lithium-síra
Zde autoři výzkumu využili fluorografen, z něhož odstranili část atomů fluoru a na uvolněná místa pevnou vazbou navázali polysulfidy. Jak praví tisková zpráva, díky jejich vlastnostem bylo možné jednotlivé vrstvy vzájemně propojit. Mezi uhlíkovou páteří fluorografenu a sírou se vytvořily pevné vazby, což brání uvolňování síry při nabíjecích a vybíjecích cyklech.
Svět je malý. Monoklinická modifikace gama síry se mineralogicky nazývá rosyckýit a byla poprvé nalezena na odvalu v Havírně, což je část Letovic u Vyškova.