Katódy na báze kremíka stabilizujú Li-S články. Účinok: viac ako 2 nabíjacie cykly namiesto niekoľkých desiatok

Vedci z Daegu Institute of Science and Technology (DGIST, Južná Kórea) vyvinuli katódu na báze kremíka, ktorá by mala vydržať viac ako 2 nabíjacie cykly v Li-S článkoch. Klasické lítium-iónové články využívajú čistý kremík v anódach na doplnenie a postupné nahradenie grafitu. Bol tu použitý oxid kremičitý a v katóde oxid kremičitý.

Li-S článok = lítiová anóda, katóda oxidu kremičitého so sírou

Li-S články sa považujú za zaujímavé kvôli ich vysokej hustote energie, hmotnosti a nízkym výrobným nákladom. Nikomu sa však zatiaľ nepodarilo vytvoriť verziu, ktorá by vydržala viac ako niekoľko desiatok nabíjacích cyklov. Všetko kvôli polysulfidom lítnym (LiPS), ktoré sa pri vybíjaní rozpúšťajú v elektrolyte a reagujú s anódou, čím znižujú jej kapacitu a v dôsledku toho zničia batériu.

Je možné, že juhokórejskí vedci našli riešenie problému. Namiesto materiálov na báze uhlíka (napríklad grafitu) použili katódu. lamelárna štruktúra mezoporézneho oxidu kremičitého (POMS).

Lamelárna štruktúra je pochopiteľná, zatiaľ čo mezopórovitosť sa týka akumulácie pórov (dutín) v oxide kremičitom, ktoré majú cieľovú veľkosť, plošnú hustotu a malú disperziu (zdroj). Je to trochu ako pravidelné prepichovanie susedných plátov nejakého kremičitanu, aby ste vytvorili sito.

Vedci z DGIST použili tieto otvory na uloženie síry do nich (obrázok a). Počas vybíjania sa síra rozpúšťa a tvorí s lítiom polysulfidy lítia (LiPS). Náboj teda prúdi, ale LiPS zostáva zachytený v blízkosti katódy v dôsledku dodatočného nedefinovaného uhlíkového faktora (čierna štruktúra, obrázok b).

Počas nabíjania LiPS uvoľňuje lítium, ktoré sa vracia do lítiovej anódy. Na druhej strane sa síra premieňa na oxid kremičitý. Žiadny únik LiPS na anódu, žiadne poškodenie kovu.

Takto vytvorená Li-S batéria si zachováva vysokú kapacitu a stabilitu na viac ako 2 pracovné cykly. Minimálne 500 – 700 cyklov prevádzky sa pri klasických Li-ion článkoch považuje za štandard, aj keď treba dodať, že dobre spracované lítium-iónové články vydržia aj niekoľko tisíc cyklov.