Οι κάθοδοι με βάση το πυρίτιο σταθεροποιούν τα κύτταρα Li-S. Επίδραση: περισσότεροι από 2 κύκλοι φόρτισης αντί για αρκετές δεκάδες

Επιστήμονες από το Ινστιτούτο Επιστήμης και Τεχνολογίας Daegu (DGIST, Νότια Κορέα) ανέπτυξαν μια κάθοδο με βάση το πυρίτιο που αναμένεται να αντέξει περισσότερους από 2 κύκλους φόρτισης σε κύτταρα Li-S. Οι κλασσικές κυψέλες ιόντων λιθίου χρησιμοποιούν καθαρό πυρίτιο στις ανόδους για να συμπληρώσουν και να αντικαταστήσουν σταδιακά τον γραφίτη. Εδώ χρησιμοποιήθηκε οξείδιο του πυριτίου και στην κάθοδο χρησιμοποιήθηκε διοξείδιο του πυριτίου.

Κυψέλη Li-S = άνοδος λιθίου, κάθοδος θείου πυριτίου

Τα κύτταρα Li-S θεωρούνται ενδιαφέροντα λόγω της υψηλής ενεργειακής πυκνότητας, του βάρους και του χαμηλού κόστους παραγωγής τους. Ωστόσο, κανείς δεν έχει καταφέρει ακόμη να δημιουργήσει μια τέτοια έκδοση που θα άντεχε περισσότερους από αρκετές δεκάδες κύκλους φόρτισης. Αυτό οφείλεται στα πολυσουλφίδια του λιθίου (LiPS), τα οποία διαλύονται στον ηλεκτρολύτη κατά την εκφόρτιση και αντιδρούν με την άνοδο, μειώνοντας την χωρητικότητά της και, ως αποτέλεσμα, καταστρέφοντας την μπαταρία.

Είναι πιθανό οι Νοτιοκορεάτες ερευνητές να έχουν βρει μια λύση στο πρόβλημα. Αντί για υλικά με βάση τον άνθρακα (όπως ο γραφίτης) χρησιμοποιούσαν στην κάθοδο. ελασματική δομή μεσοπορώδους πυριτίου (POMS).

Η δομή του φύλλου είναι κατανοητή, ενώ η μεσοπορότητα αναφέρεται στη συσσώρευση πόρων (κοιλοτήτων) στο πυρίτιο που έχουν προγραμματισμένο μέγεθος, επιφανειακή πυκνότητα και μικρή διασπορά μεγέθους (πηγή). Είναι λίγο σαν να τρυπάμε τακτικά πλάκες από κάποιο πυριτικό άλας το ένα δίπλα στο άλλο για να δημιουργήσουμε ένα κόσκινο.

Οι επιστήμονες του DGIST χρησιμοποίησαν αυτές τις τρύπες για να εναποθέσουν θείο σε αυτές (Εικόνα α). Κατά την απόρριψη, το θείο διαλύεται και σχηματίζει πολυσουλφίδια λιθίου (LiPS) με λίθιο. Έτσι, το φορτίο ρέει αλλά το LiPS παραμένει παγιδευμένο κοντά στην κάθοδο λόγω του πρόσθετου απροσδιόριστου παράγοντα άνθρακα (μαύρη δομή, σχήμα β).

Κατά τη φόρτιση, το LiPS απελευθερώνει λίθιο, το οποίο επιστρέφει στην άνοδο λιθίου. Από την άλλη, το θείο μετατρέπεται σε πυρίτιο. Χωρίς διαρροή LiPS στην άνοδο, χωρίς μεταλλική ζημιά.

Η μπαταρία Li-S που δημιουργήθηκε με αυτόν τον τρόπο διατηρεί υψηλή χωρητικότητα και σταθερότητα για περισσότερους από 2 κύκλους λειτουργίας. Τουλάχιστον 500-700 κύκλοι λειτουργίας θεωρούνται στάνταρ για τις κλασικές κυψέλες ιόντων λιθίου, αν και αξίζει να προσθέσουμε ότι τα καλά επεξεργασμένα κύτταρα ιόντων λιθίου μπορούν να αντέξουν αρκετές χιλιάδες κύκλους.