Sulful poate stoca mult mai mult litiu, dar este problematic reactiv în baterii.
Dacă nu știai, sulful este destul de abundent. Credit: P_Wei
Litiul poate fi componenta cheie în majoritatea bateriilor moderne, dar nu constituie cea mai mare parte a materialului folosit în ele. În schimb, mare parte din material se află în electrozi, unde litiul este stocat atunci când bateria nu se încarcă sau nu se descarcă. Așadar, o modalitate de a face baterii litiu-ion mai ușoare și mai compacte este de a găsi materiale pentru electrozi care pot stoca mai mult litiu. Acesta este unul dintre motivele pentru care generațiile recente de baterii încep să încorporeze siliciu în materialele electrozilor.
Există materiale care pot stoca chiar mai mult litiu decât siliciu; un exemplu notabil este sulful. Dar sulful are tendința de a reacționa cu el însuși, producând ioni care pot pluti în electrolit. În plus, ca orice material pentru electrozi, acesta tinde să se extindă proporțional cu cantitatea de litiu care este stocată, ceea ce poate crea solicitări fizice asupra structurii bateriei. Deci, deși a fost ușor să se producă baterii cu litiu-sulf, performanța lor a avut tendința să se degradeze rapid.
Dar în această săptămână, cercetătorii au descris o baterie cu litiu-sulf care are încă peste 80% din capacitatea sa originală după 25.000 de cicluri de încărcare/descărcare. Tot ce a fost nevoie a fost un electrolit solid care era mai reactiv decât sulful în sine.
Când litiul se întâlnește cu sulful…
Sulful este un material atractiv pentru baterii. Este abundent și ieftin, iar atomii de sulf sunt relativ ușori în comparație cu multe dintre celelalte materiale utilizate în electrozii bateriei. Bateriile sodiu-sulf, care se bazează pe două materii prime foarte ieftine, au fost deja dezvoltate, deși funcționează doar la temperaturi suficient de ridicate pentru a topi ambele componente. Bateriile cu litiu-sulf, dimpotrivă, ar putea funcționa mai mult sau mai puțin la fel ca acum bateriile litiu-ion.
Cu câteva excepții majore, adică. Una este că sulful elementar folosit ca electrod este un foarte slab conductor de electricitate, așa că trebuie să fie dispersat într-o plasă de material conductiv. (Puteți contrasta asta cu grafitul, care atât stochează litiu, cât și conduce electricitatea relativ bine, datorită faptului că este compus din nenumărate foi de grafen.) Litiul este stocat acolo ca Li2S, care ocupă mult mai mult spațiu decât sulful elementar pe care îl înlocuiește.
Cu toate acestea, ambele probleme pot fi rezolvate printr-o inginerie atentă a structurii bateriei. O problemă mai gravă vine din proprietățile reacțiilor litiu-sulf care apar la electrod. Sulful elementar există ca un inel cu opt atomiiar reacțiile cu litiul sunt suficient de lente încât să ajungă să se formeze intermediari semistabili cu lanțuri mai mici de sulf. Din păcate, acestea tind să fie solubile în majoritatea electroliților, permițându-le să se deplaseze la electrodul opus și să participe la reacțiile chimice de acolo.
Acest proces descarcă în esență bateria fără a permite electronii să fie utilizați. Și lasă treptat sulful electrodului indisponibil pentru a participa la ciclurile viitoare de încărcare/descărcare. Rezultatul net este că generațiile timpurii ale tehnologiei s-ar descărca singure în timp ce stau nefolosite și ar supraviețui doar câteva sute de cicluri înainte ca performanța să scadă dramatic.
Dar s-au înregistrat progrese pe toate aceste fronturi și au fost demonstrate unele baterii litiu-sulf cu performanțe similare cu litiu-ion. La sfârșitul anului trecut, o companie a anunțat că a adunat banii necesari pentru a construi prima fabrică de baterii cu litiu-sulf la scară largă. Totuși, lucrările la îmbunătățiri au continuat, iar noul lucru pare să sugereze modalități de a crește performanța cu mult dincolo de litiu-ion.
Nevoia de viteză
Lucrarea care descrie noile evoluții, realizată printr-o colaborare între cercetători chinezi și germani, se concentrează pe un aspect al provocărilor pe care le prezintă bateriile cu litiu-sulf: reacția chimică relativ lentă dintre ionii de litiu și sulful elementar. Prezintă acest aspect ca un obstacol pentru încărcarea rapidă, ceva care va fi o problemă pentru aplicațiile auto. Dar, în același timp, găsirea unei modalități de a limita formarea de produse intermediare inactive în timpul acestei reacții duce la rădăcina duratei de viață relativ scurte a bateriilor cu sulf litiu.
După cum se dovedește, cercetătorii au găsit două.
Una dintre problemele intermediarilor de reacție litiu-sulf este că se dizolvă în majoritatea electroliților. Dar asta nu este o problemă dacă electrolitul nu este lichid. Electroliții solizi sunt materiale care au o structură poroasă la nivel atomic, mediul din interiorul porilor fiind favorabil pentru ioni. Acest lucru permite ionilor să se difuzeze prin solid. Dacă există o modalitate de a prinde ionii pe o parte a electrolitului, cum ar fi o reacție chimică care îi prinde sau îi deionizează, atunci poate permite călătoria într-un singur sens.
În mod critic, porii care favorizează tranzitul ionilor de litiu, care sunt destul de compacti, nu sunt susceptibili să permită tranzitul lanțurilor mari ionizate de sulf. Deci, un electrolit solid ar trebui să contribuie la reducerea problemelor cu care se confruntă bateriile cu litiu-sulf. Dar nu va ajuta neapărat la încărcarea rapidă.
Cercetătorii au început prin a testa un pahar format dintr-un amestec de bor, sulf și litiu (B2S3 și Li2S). Dar această sticlă avea o conductivitate teribilă, așa că au început să experimenteze cu ochelari înrudiți și au optat pentru o combinație care a înlocuit niște fosfor și iod.
Iodul s-a dovedit a fi o componentă critică. În timp ce schimbul de electroni cu sulful este relativ lent, iodul suferă un schimb de electroni (numit din punct de vedere tehnic o reacție redox) extrem de rapid. Deci poate acționa ca intermediar în transferul electronilor la sulf, accelerând reacțiile care au loc la electrod. În plus, iodul are puncte de topire și de fierbere relativ scăzute, iar cercetătorii sugerează că există unele dovezi că se mișcă în interiorul electrolitului, permițându-i să acționeze ca o navetă de electroni.
Succese și avertismente
Rezultatul este un electrolit mult superior – și unul care permite încărcarea rapidă. Este tipic ca încărcarea rapidă să reducă capacitatea totală care poate fi stocată într-o baterie. Dar când este încărcată la o viteză extraordinar de rapidă (50C, adică o încărcare completă în puțin peste un minut), o baterie bazată pe acest sistem avea încă jumătate din capacitatea unei baterii încărcate de 25 de ori mai lent (2C, sau o jumătate de oră până la încărcare completă).
Dar lucrul izbitor a fost cât de durabilă a fost bateria rezultată. Chiar și la o rată de încărcare intermediară (5C), încă mai avea peste 80% din capacitatea sa inițială după peste 25.000 de cicluri de încărcare/descărcare. În schimb, bateriile litiu-ion tind să atingă acel nivel de degradare după aproximativ 1.000 de cicluri. Dacă acest tip de performanță este posibil într-o baterie produsă în masă, este doar o ușoară exagerare să spunem că ne poate modifica radical relațiile cu multe dispozitive alimentate cu baterie.
Ceea ce nu este deloc clar, însă, este dacă acest lucru profită din plin de una dintre promisiunile originale ale bateriilor cu litiu-sulf: încărcare mai mare într-o anumită greutate și volum. Cercetătorii specifică bateria folosită pentru testare; un electrod este o folie metalică de indiu/litiu, iar celălalt este un amestec de carbon, sulf și electrolit de sticlă. Între ele se află un strat de electrolit. Dar când se dau cifre pentru capacitatea de stocare pe greutate, se menționează doar greutatea sulfului.
Totuși, chiar dacă problemele de greutate ar împiedica acest lucru să fie îndesat într-o mașină sau un telefon mobil, există o mulțime de aplicații de stocare care ar beneficia de ceva care nu se uzează chiar și cu 65 de ani de ciclism zilnic.
Natura, 2025. DOI: 10.1038/s41586-024-08298-9 (Despre DOI).
John este editorul științific al Ars Technica. Are o licență în arte în biochimie de la Universitatea Columbia și un doctorat. în biologie moleculară și celulară de la Universitatea din California, Berkeley. Când este separat fizic de tastatură, el tinde să caute o bicicletă sau o locație pitorească pentru a comunica cu bocancii de drumeție.
Comentarii recente