211service.com
Powrót do baterii litowo-siarkowych
Baterie litowo-siarkowe, które potencjalnie mogą przechowywać kilka razy więcej energii niż baterie litowo-jonowe, były w przeszłości zbyt kosztowne, niebezpieczne i zawodne do komercyjnego wytwarzania. Ale teraz zyskują świeży wygląd dzięki pewnym niedawnym postępom. Ulepszenia w konstrukcji tych akumulatorów doprowadziły giganta chemicznego BASF z Ludwigshafen w Niemczech, aby współpracować z Moc Syjonu , firma z Tucson, AZ, która opracowała już prototypowe ogniwa litowo-siarkowe.
Moc siarki: Ten prototypowy akumulator litowo-siarkowy został opracowany przez firmę Sion Power. We współpracy z BASF firma zamierza udoskonalić konstrukcję akumulatora do zastosowania w pojazdach elektrycznych.
W porównaniu z istniejącymi technologiami stosowanymi w pojazdach elektrycznych, plan zakłada zwiększenie odległości jazdy co najmniej od 5 do 10 razy dla akumulatora o danym rozmiarze, mówi Thomas Weber, dyrektor generalny spółki zależnej BASF o nazwie BASF Future Business . Inni eksperci twierdzą, że trzykrotna poprawa jest bardziej rozsądną oceną, ale nadal byłby to imponujący skok wydajności. Weber mówi, że wiedza specjalistyczna BASF w zakresie materiałów pomoże Sion Power w dalszym ulepszaniu technologii i szybszym wprowadzaniu jej na rynek. Odmówił jednak podania szczegółów porozumienia, w tym ilości zaangażowanych pieniędzy i sposobu, w jaki firmy podzielą się zyskami.
Baterie litowo-siarkowe mają jedną elektrodę wykonaną z litu, a drugą wykonaną z siarki, zwykle połączonej z węglem. Podobnie jak w przypadku akumulatorów litowo-jonowych, ładowanie i rozładowywanie akumulatora wiąże się z ruchem jonów litu między dwiema elektrodami. Ale teoretyczna pojemność akumulatorów litowo-siarkowych jest wyższa niż akumulatorów litowo-jonowych ze względu na sposób asymilacji jonów na elektrodach. Na przykład na elektrodzie siarkowej każdy atom siarki może zawierać dwa jony litu. Zazwyczaj w akumulatorach litowo-jonowych na każdy atom macierzysty można pomieścić tylko 0,5 do 0,7 jonów litu, mówi piękny nazar , profesor chemii na Uniwersytecie Waterloo.
Wyzwaniem było wytwarzanie materiałów wykorzystujących tę wyższą teoretyczną pojemność. Dużym problemem jest to, że siarka jest materiałem izolacyjnym, utrudniającym wchodzenie i wychodzenie elektronów i jonów. Tak więc, podczas gdy każdy atom siarki może teoretycznie być w stanie pomieścić dwa jony litu, w rzeczywistości często tylko te atomy siarki w pobliżu powierzchni materiału przyjmują jony litu.
Innym problemem jest to, że gdy siarka wiąże się z jonami litu, ostatecznie tworząc siarczek dilitu, tworzy szereg produktów pośrednich zwanych polisiarczkami. Rozpuszczają się one w ciekłym elektrolicie akumulatora i ostatecznie mogą osadzać się w innych obszarach akumulatora, gdzie mogą blokować ładowanie i rozładowywanie. Z tego powodu bateria może całkowicie przestać działać już po kilkudziesięciu cyklach.
Co więcej, elektroda litowo-metalowa stwarza potencjalne problemy z bezpieczeństwem. Na przykład podczas użytkowania elektrody litowej mogą powstawać struktury przypominające gałęzie, które zwiększają impedancję ogniwa, powodując jego nagrzewanie. W końcu te struktury mogą spowodować zwarcie. Jeśli bateria się nagrzeje, metal może się stopić. Jeśli stopiony lit wycieknie z ogniwa i wejdzie w kontakt z wodą, może wywołać pożar. Elektrolit akumulatora również może się zapalić.
Chociaż odmówił podania szczegółów, Weber twierdzi, że te problemy z bezpieczeństwem zostały rozwiązane. Celem BASF jest dalsze ulepszanie materiałów, aby uzyskać większy dostęp do ich teoretycznych możliwości, co, jak mówi, firma ma jasny plan na zrobienie.
Jeśli chodzi o rozwiązywanie problemów związanych z bezpieczeństwem, trzy postępy mogą zapewnić zaufanie Webera. Metody chemicznej obróbki elektrod litowo-metalowych mogą zapobiec przynajmniej częściowemu tworzeniu się dendrytów, chociaż nie wszyscy badacze są przekonani, że takie podejście będzie wystarczające. Ponadto ulepszone membrany polimerowe i ceramiczne, które oddzielają dwie elektrody i są odporne na przebicie przez dendryty, mogą zapobiegać zwarciom. Jednak baterie mogą być nadal podatne na zwarcie, jeśli zostaną uszkodzone. Aby zapobiec pożarom elektrolitu, Nazar twierdzi, że mniej lotne elektrolity można stosować w akumulatorach litowo-siarkowych, ponieważ mają niższe napięcie niż akumulatory litowo-jonowe.
Wydaje się, że inne problemy, w tym niska przewodność i ograniczona liczba cykli ładowania, zostały przynajmniej częściowo rozwiązane przez Sion Power. Firma wyprodukowała ogniwa, które przechowują ponad dwa razy więcej energii niż dostępne obecnie akumulatory litowo-jonowe, co BASF ma nadzieję ulepszyć. Weber mówi, że akumulatory mogą wystarczyć na cały okres eksploatacji samochodu, chociaż może to opierać się na przewidywaniach Sion Power, a nie na zmierzonej wydajności.
John Kopera, dyrektor ds. operacji komercyjnych w Sion Power, mówi, że obecne akumulatory firmy są oceniane na 50 cykli i że ma kompleksowy plan osiągnięcia około 1000 cykli. (To wystarczy na 300 000 mil jazdy, z akumulatorem, który zapewnia 300-milowy zasięg).
Obie firmy zachowują szczegóły swoich zaliczek dla siebie. Ale w tym tygodniu w dzienniku Materiały przyrodnicze, Nazar opisał jedno z możliwych sposobów rozwiązania tych problemów. W przeszłości naukowcy poprawili przewodnictwo, łącząc siarkę z węglem. Nazar poszedł o krok dalej, biorąc elektrody złożone z regularnie rozmieszczonych rurek węglowych i czyniąc je zaledwie kilkoma nanometrami szerokości. (Ich struktura różni się od struktury nanorurek węglowych). Zespół Nazara następnie umieścił siarkę w nanoskalowych przestrzeniach między tymi rurkami, tak że większość atomów siarki znajduje się blisko przewodzącego węgla, dzięki czemu są dostępne zarówno dla elektronów, jak i jonów litu.
Rurki węglowe pomogły również rozwiązać problem polisiarczków, które mogą przedwcześnie zabić komórkę. Rurki węglowe skutecznie zatrzymują polisiarczki, dopóki nie zostaną całkowicie przekształcone w siarczek dylitu, który nie zatruwa akumulatora. Powlekanie węgla polimerem, który ma powinowactwo do polisiarczków, również pomaga utrzymać je na miejscu. Ale nie jest jasne, czy BASF może również wypróbować nanostrukturalną elektrodę, aby ulepszyć materiały Sion. Jak dotąd Sion Power nie używał materiałów nanostrukturalnych, mówi Kopera. Jednym z wyzwań związanych z podejściem Nazara jest to, że trudno będzie produkować elektrody z rur węglowych w dużych ilościach.
Pewne problemy prawdopodobnie pozostaną. Po pierwsze, baterie mogą być kosztowne – lit metaliczny jest najdroższą formą litu. Ponadto nie są jeszcze dostępne stałe dane na temat liczby cykli ładowania, jakie mogą przejść akumulatory i ich reakcji na testy bezpieczeństwa. Mimo to, mówi Nazar, technologia z pewnością przeszła długą drogę. Dzięki naszym rozwiązaniom i kilku innym firmom z pewnością jest to znacznie bliższe rzeczywistości.