Włókna kevlarowe pomogą stworzyć "niemal idealną" baterię przyszłości
Z pojemnością pięciokrotnie większą niż współczesne rozwiązania litowo-jonowe, baterie litowo-siarkowe wydają się wręcz idealnym rozwiązaniem wielu naszych problemów, a naukowcy właśnie wykonali kolejny ważny krok w stronę ich powszechnego stosowania.
Naukowcy Uniwersytetu Michigan zaprezentowali właśnie inspirowaną naturą błonę, która pozwala uporać się z jednym z największych problemów akumulatorów litowo-siarkowych, a mianowicie niestabilnością - zdaniem autorów to design niemal idealny, który pozwala na ponad tysiąc cykli ładowania.
Jest trochę raportów dokumentujących kilkaset cykli ładowania baterii litowo-siarkowych, ale to osiągnięcie zawsze odbywa się kosztem innych parametrów - pojemności, szybkości ładowania, odporności czy bezpieczeństwa. Wyzwaniem jest stworzyć baterię, która zwiększa cykle ładowania z poprzednich 10 do setek i spełnia przy tym inne wymagania, w tym koszty
Czy baterie litowo-siarkowe to nasza przyszłość?
Baterie litowo-siarkowe są obiektem zainteresowania naukowców od dłuższego czasu, bo nie tylko wykorzystują tańsze i łatwiej dostępne materiały niż powszechnie stosowane akumulatory litowo-jonowe, to jeszcze mogą magazynować znacznie więcej energii (2-5 razy więcej). Tyle że jest z nimi jeden poważny problem - ulegają szybkiej degradacji, przez co ich komercjalizacja nie była dotąd możliwa.
Autorzy nowego badania sugerują, że odpowiedzią na problemy mogą być nanowłókna aramidowe, które są odpowiednikami włókien kevlarowych w nanoskali i to właśnie za ich pomocą stworzyli sieci naśladujące strukturę błony komórkowej. Materiał został następnie nasączony elektrolitem żelowym, w efekcie czego udało się wyeliminować typowy dla baterii problem formowania się dendrytów na elektrodach.
Zalety nowej błony sięgają jednak znacznie dalej - z każdym kolejnym cyklem baterii litowo-siarkowych, małe cząsteczki litu i siarki, znane jako wielosiarczki, dostają się do litu, negatywnie wpływając na pojemność baterii.
Zespół wyeliminował również ten problem - błona została wyposażona w specjalne kanaliki, które z pomocą ładunku elektrycznego umożliwiają jednocześnie swobodną migrację jonów litu i odpychanie niepotrzebnych cząsteczek. Badacze porównują to do autostrady, gdzie jony litu mają swobodną drogę, a wielosiarczki nie mogą przejechać przez punkty kontrolne.
W efekcie udało się otrzymać baterię o wydajności na poziomie zbliżającym się do teoretycznego maksimum i pojemności 5 razy większej od typowej baterii litowo-jonowej. Naukowcy szacują, że w połączeniu z technologią szybkiego ładowania, mówimy o baterii z żywotnością szacowaną na ok. 1000 cykli ładowania, co wystarczyć ma nawet na 10 lat pracy.
Dużą zaletą jest też niższy koszt - finansowy i środowiskowy - takich baterii, bo siarka jest zdecydowanie mniej problematyczna niż kobalt, a włókna aramidowe można odzyskać ze zużytych kamizelek kuloodpornych.
