Problém s nestabilitou slibných lithium-sírových baterií může podle vědců vyřešit grafenová "houba"

Lithium-sírové baterie by se vzhledem k několikanásobně vyšší energetické hustotě ve srovnání s lithium-iontovými bateriemi mohly stát svatým grálem v oblasti akumulace elektrické energie. Jejich uplatnění nicméně zatím brání jejich krátká životnost. Vědci ze švédské univerzity však nyní přišli se slibným způsobem, jak tento problém vyřešit.

Na technologie akumulace elektrické energie se s rozvojem obnovitelných zdrojů a elektromobility upíná stále větší pozornost. Pro pokrytí neustále rostoucích potřeb akumulace tak bude nezbytné vyvíjet stále nové technologie. Možnou cestu nabízí i lithium-sírové baterie, které teoreticky dosahují až pětinásobně vyšší energetické hustoty než běžné lithium-iontové baterie.

Vědci ze švédské Technologické univerzity Chalmers přišli s inovativním nápadem využít aerogel vyrobený z redukovaného oxidu grafenu. Ten funguje jako jedna z elektrod a díky své porézní struktuře připomínající houbu umožňuje lepší využití síry.

Tradiční baterie se skládají ze čtyř základních částí – dvou elektrod (anody a katody), elektrolytu a separátoru, který slouží jako fyzická bariéra mezi elektrodami, ale umožňuje průchod iontů v elektrolytu.

Vědci již dříve experimentovali s využitím takzvaného katolytu, tedy kombinace katody a elektrolytu. Tento koncept by mohl pomoci snížit hmotnost baterií a zároveň nabídnout rychlejší nabíjení a vyšší výkon baterií. S vyvinutím nového grafenového aerogelu se tento koncept osvědčil a nabízí slibné výsledky.

„Vezmete aerogel, což je dlouhý tenký válec, a nakrájíte ho – skoro stejně jako salám. Poté vezmete plátek, stlačíte ho, aby se vešel do baterie,“ říká vedoucí studie Carmen Cavallo z katedry fyziky na Technologické univerzitě Chalmers.

„Porézní struktura grafenového aerogelu je klíčová. Nasákne do sebe velký objem katolytu, což vám zajistí dostatečné množství síry, aby koncept katolytu fungoval. Tento druh polotekutého katolytu je v tomto případě opravdu podstatný. Umožňuje, aby síra cyklovala tam a zpátky bez jakýchkoliv ztrát. Síra se tak neztrácí rozpouštěním, protože už je rozpuštěna v roztoku katolytu,“ dodává Carmen Cavallo.

Rostoucí potřeby akumulace si žádají nové technologie

V současné době jsou nejrozšířenějším typem baterií, které se využívají od mobilních telefonů po elektromobily, lithium-iontové baterie. Přestože i Li-ion baterie prochází neustálým vývojem, podle vědců se tato technologie již blíží svým teoretickým limitům.

Lithium-sírové baterie nabízí několik výhod, včetně výrazně vyšší energetické hustoty, což je klíčové zejména pro oblast elektromobility. Nejlepší Li-ion baterie na trhu podle vědců dosahují energetické hustoty 300 Wh/kg, přičemž jejich teoretický limit dosahuje 350 Wh/kg. Lithium-sírové baterie by přitom teoreticky mohly nabídnout 1000 až 1500 Wh/kg.

Hlavním problémem Li-S baterií zatím byla jejich nestabilita vedoucí ke krátké životnosti, což limituje jejich možné uplatnění na trhu. Nový prototyp švédských vědců si však i po 350 cyklech zachoval 85 % své původní kapacity.

Nový design tak řeší dva hlavní problémy s degradací Li-S baterií – rozpouštění síry do elektrolytu baterie a migraci molekul síry z katody na anodu. Využití aerogelu spolu s katolytem tyto nežádoucí efekty výrazně omezuje. Vědci nicméně uznávají, že cesta od prototypu k praktickým aplikacím bude ještě dlouhá.

„Jelikož tyto baterie jsou vyráběny jiným způsobem než většina běžných baterií, pro jejich komerční uplatnění bude potřeba vyvinout nové výrobní postupy,“ říká Aleksandar Matic, vedoucí výzkumné skupiny.