Baterije su svuda u svakodnevnom životu, od mobilnih telefona i pametnih satova do sve većeg broja električnih vozila. Većina ovih uređaja koristi dobro poznatu tehnologiju litijum-jonskih baterija. I dok su litijum-jonske baterije prešle dug put od kada su prvi put predstavljene, one imaju i neke poznate nedostatke, kao što su kratak životni vek, pregrevanje i izazovi u lancu snabdevanja za određene sirovine.
Naučnici u Nacionalnoj laboratoriji Argonne Ministarstva energetike SAD (DOE) istražuju rešenja za ova pitanja testiranjem novih materijala u konstrukciji baterija. Jedan takav materijal je sumpor. Sumpora je izuzetno bogato i isplativo i može zadržati više energije od tradicionalnih baterija zasnovanih na jonima.
U novoj studiji, istraživači su unapredili istraživanje baterija zasnovanih na sumporu stvaranjem sloja unutar baterije koji dodaje kapacitet za skladištenje energije dok skoro eliminiše tradicionalni problem sa sumpornim baterijama koji izaziva koroziju.
Obećavajući dizajn baterije uparuje pozitivnu elektrodu (katodu) koja sadrži sumpor sa negativnom elektrodom (anodom) od litijum metala. Između tih komponenti nalazi se elektrolit, ili supstanca koja omogućava jonima da prolaze između dva kraja baterije.
Rane litijum-sumporne (Li-S) baterije nisu dobro radile jer su se vrste sumpora (polisulfidi) rastvorile u elektrolitu, uzrokujući njegovu koroziju. Ovaj efekat polisulfida negativno utiče na vek trajanja baterije i smanjuje broj puta da se baterija može napuniti.
Da bi sprečili ovaj polisulfidni šatl, prethodni istraživači su pokušali da postave redoks-neaktivni međusloj između katode i anode. Termin „redoks-neaktivan“ znači da materijal ne prolazi kroz reakcije poput onih u elektrodi. Ali ovaj zaštitni međusloj je težak i gust, smanjujući kapacitet skladištenja energije po jedinici težine baterije. Takođe ne umanjuje adekvatno šatliranje. Ovo se pokazalo kao glavna prepreka komercijalizaciji Li-S baterija.
Da bi ovo rešili, istraživači su razvili i testirali porozni međusloj koji sadrži sumpor. Testovi u laboratoriji su pokazali početni kapacitet oko tri puta veći u Li-S ćelijama sa ovim aktivnim, za razliku od neaktivnog međusloja. Još impresivnije, ćelije sa aktivnim međuslojem su održavale visok kapacitet preko 700 ciklusa punjenja-pražnjenja.
„Prethodni eksperimenti sa ćelijama koje su imale redoks-neaktivan sloj samo su potisnule šatling, ali su pri tome žrtvovali energiju za datu ćelijsku težinu jer je sloj dodao dodatnu težinu“, rekao je Guiliang Xu, hemičar iz Argona i koautor knjige. „Nasuprot tome, naš redoks-aktivni sloj povećava kapacitet skladištenja energije i potiskuje efekat šatla.“
Da bi dalje proučavao redoks-aktivni sloj, tim je sproveo eksperimente na liniji snopa 17-BM Argonneovog naprednog izvora fotona (APS), korisničkog objekta DOE Kancelarije za nauku. Podaci prikupljeni izlaganjem ćelija sa ovim slojem rendgenskim zrakama omogućili su timu da utvrdi prednosti međusloja.
Podaci su potvrdili da redoks-aktivni međusloj može smanjiti šatliranje, smanjiti štetne reakcije unutar baterije i povećati kapacitet baterije da zadrži više napunjenosti i traje više ciklusa. „Ovi rezultati pokazuju da bi redoks-aktivni međusloj mogao imati ogroman uticaj na razvoj Li-S baterija“, rekao je Venkian Ksu, naučnik za beamline u APS-u. „Jedan smo korak bliže tome da ovu tehnologiju vidimo u svakodnevnom životu.
U budućnosti, tim želi da proceni potencijal rasta redoks-aktivne međuslojne tehnologije. „Želimo da pokušamo da bude mnogo tanji, mnogo lakši“, rekao je Guiliang Xu
