Prosadí se Li-S baterie na trhu? V porovnání s rozšířenými Li-ion bateriemi mají řadu výhod

Lithium-sírové (Li-S) baterie jsou obecně vnímány jako slibná technologie pro dosažení velkých energetických hustot. Z několika málo výzkumných společností, které se snažily rozvíjet tuto technologii před několika lety, je v současné době spíše výjimkou být v oboru s bateriemi a neinvestovat do jejich vývoje. Je to dáno hlavně potenciálem, který Li-S baterie skrývají. V porovnání s existujícími Li-ion technologiemi může Li-S dosahovat 2-3x větší energetické hustoty, lepší bezpečnosti při výrobě a nižších nákladů vzhledem k chemickému složení. Na druhé straně jsou zde jisté nevýhody, jako například krátký životní cyklus a vysoké samovybíjení, které stojí Li-S technologii v komercializaci.

Hlavní výhodou Li-S technologie je její vysoká energetická hustota, která může být dosažena chemickou kombinací. U Li-S baterie katoda obsahuje síru a uhlík, oxid lithný je použit na anodu. Teoretická energetická hustota Li-S baterie se může pohybovat okolo 2600 Wh/kg. V praxi bylo zatím dosaženo přibližně 600 Wh/kg, což je ale stále vyšší hodnota než u ostatních Li-ion baterií, která dosahuje 100-265 Wh/kg.

Další výhodou jsou náklady na materiál využitý na výrobu katody: síra. Oproti ostatním materiálům, které se využívají k tomuto účelu, je síra levnější a představuje nižší environmentální riziko. Z ekonomického hlediska jsou Li-S nejvýhodnější. Ostatní materiály použité v Li-ion bateriích jsou značně dražší. Například cena za kobalt používaný v LiCoO2 a LiNiMnCoO2 katodách je okolo 74 eur/kg. Cena niklu používaného v LiNiMnCoO2 je lehce pod 11 euro/kg.  Na konci roku 2017 byla cena síry (nejvyšší částka od roku 2014) okolo 170 eur/t, tedy 0,17 eur/kg. Odhady nákladů při masové produkci Li-S technologie jsou 100$/kWh. Výroba Li-ion baterie vychází na 162$/Kwh (snížení nákladů je očekáváno až na 74$/kWh do roku 2030).

Kromě výhod z hlediska materiálu, může být Li-S baterie vybita na 0 % své kapacity a nevyžaduje nabití při skladování. To představuje velkou výhodu oproti ostatním Li-ion bateriím, které potřebují být při skladování nabité okolo 40%, aby se zabránilo nenávratné ztrátě kapacity.

Technologie Li-S baterií jsou známy již po desetiletí, první patent byl podán v 50. letech 19. století. Navzdory jejich atraktivním vlastnostem, Li-S baterie nejsou zatím masově vyráběny, anebo používány ve významných odvětví.

Nízká elektrická vodivost síry představuje hlavní překážku, která brání dosažení plného potenciálu Li-S baterií. Ve většině případů by měla být vytvořena matice ze síry a vodivého uhlíku, aby bylo dosaženo ideální vodivosti. Aby se ale uchovala výhoda vysoké energetické hustoty Li-S baterie, je potřeba aby katoda stále obsahovala alespoň 70 % síry. Nízký životní cyklus baterie je způsoben rozpouštěním síry v elektrolytu, což má za následek degradaci elektrod již po několika nabíjecích cyklech.

Malý trh pro současné využití

Jak již bylo uvedeno výše, současné využití Li-S baterií je značně omezené kvůli nízkému životnímu cyklu. Li-S baterie přesáhnou zřídka životnosti přes 100 nabíjecích cyklů, oproti několika tisícům u li-ion baterií. Nejznámější oblastí využití jsou bezpilotní letadla, obvykle označována jako UAV (Unmanned Aerial Vehicles), která působí ve velkých výškách a mají dlouhou vytrvalost (HALE: High Altitude Long Endurance). Letouny se pohybují ve stratosféře a k pohonu přes den využívají solární panely. Během noci jsou poháněny Li-S bateriemi, které zajišťují, že letouny můžou zůstat dny, týdny ale i měsíce ve vzduchu.

Výroba lithium-sírových baterií za pomocí „odpadu“ z produkce papíru

Hlavním vedlejším produktem v papírovém průmyslu je lignosulfonát, uhlíkový odpad, který je obvykle spalován na místě. Vědci v Polytechnickém institutu Rensselaer vyvinuli metodu, jak využít tento levný a hojný „odpad“ k výrobě Li-S baterie. Baterie by mohla být využita k napájení datových center, a také poskytnout levné uchování energie pro mikrosítě a klasické elektrické sítě.

„Náš výzkum ukazuje, jaký potenciál má využití vedlejšího produktu z papírenského průmyslu ke konstrukci levných Li-S baterií,“ uvedl jeden z vědců stojících za vývojem této metody, Trevor Simmons.

Vědci již v minulosti použili různé formy uhlíku (uhlíkové pěny, uhlíkové nanotrubice), aby zamezili rozpouštění síry v elektrolytu, což má za následek právě oné zhoršení vlastností elektrod.

„Naše metoda poskytuje snadnou cestu k vytvoření optimální katody z jedné suroviny,“ uvedl Simmons.

K vyvinutí metody se vědci z výzkumného centra Rensselaer spojili se společností Finch Paper nacházející se ve státě New York. Společnost Finch Paper poskytuje lignosulfát, který je ve formě tmavé tekuté substance. Lignosulfát je vysušen a následně ohříván na teplotu 700 °C.

Vysoká teplota vypaří většinu přebytečných substancí, a zachová síru, která je zapuštěná do uhlíkové matice. Tento cyklus se opakuje, dokud se v uhlíkové matici nevyskytuje ideální množství síry. Materiál se pak rozmělní, smísí s inertním polymerem, a vytvoří katodový povlak.

Vědci zatím vyvinuli Li-S baterii o velikosti baterie nacházejících se v hodinkách, která má životnost okolo 200 nabíjecích cyklů. Dalším krokem je vytvořit větší baterii, výrazně snížit samovybíjení a zvýšit životní cyklus baterie.

„Nalezení nového využití této biomasy  přispívá k ulehčení životnímu prostředí a zároveň ke konstrukci účinnější baterie, která by mohla poskytnout potřebný impuls pro odvětví akumulace energie,“ uvedl vedoucí pro rozvoj podnikání v CFES, Matin Byrne.

Na financování projektu se podílí New York Pollution Institute, New York State Energy Research and Development Authority a New York Baterry and Energy Storage Technology.