Akumulator litowo-siarkowy (Li-S)
Akumulator litowo-siarkowy (Li-S) to ładowalne ogniwo galwaniczne, w którym anoda jest zbudowana z litu, natomiast katoda zawiera siarkę oraz wielosiarczki litu. Wyróżnia się ono niezwykle wysoką pojemnością. Z uwagi na niską gęstość litu oraz umiarkowaną gęstość siarki, akumulatory Li-S są stosunkowo lekkie; ich gęstość wynosi około 1 g/cm³. Akumulatory te mają znacznie większą pojemność w porównaniu do akumulatorów litowo-jonowych, a ich koszt produkcji jest niższy dzięki zastosowaniu taniej siarki. Jednakże ich wadą jest szybka utrata pojemności w trakcie kolejnych cykli ładowania i rozładowania.
Akumulatory Li-S zostały zastosowane w najdłuższym oraz najwyższym locie samolotu zasilanym energią słoneczną, który miał miejsce w sierpniu 2008 roku.
Chemia
Reakcję rozładowania ogniwa Li-S można opisać za pomocą równania:
16Li + S8 → 8Li2S
Na anodzie zachodzi proces utleniania litu:
Li → Li+ + e−
Na katodzie siarka redukuje się do wielosiarczków, a następnie do siarczku litu:
S8 → Li2S8 → Li2S6 → Li2S4 → Li2S3 → Li2S2 → Li2S
Podczas ładowania zachodzi proces odwrotny – litu wydziela się na anodzie, a siarczek i wielosiarczki utleniają się na katodzie. Zastosowanie metalicznego litu umożliwia osiągnięcie wyższej gęstości upakowania w porównaniu do tradycyjnych ogniw litowo-jonowych, w których stosowane są związki litu.
W większości eksperymentalnych akumulatorów katody wykonane są z węgla i siarki, a anody z litu. Powszechność i niska cena siarki stanowią jej główną zaletę przy masowej produkcji, jednak niska przewodność elektryczna, wynosząca 5×10−30 S cm−1 w temperaturze 25 °C, jest jej istotną wadą. Powłoka węglowa na siarce zwiększa przewodność elektryczną w porównaniu do samej siarki. W celu poprawy przewodności stosuje się węglowe nanorurki, które zapewniają efektywniejszą ścieżkę przewodzenia elektronów oraz lepszą integralność strukturalną. Wysoki koszt wytwarzania nanorurek stanowi jednak ich istotną wadę.
Zużycie
Jednym z podstawowych problemów związanych z ogniwami litowo-siarkowymi jest pośrednia reakcja z elektrolitami. Podczas gdy siarka (S) i siarczek litu (Li2S) są stosunkowo nierozpuszczalne w większości elektrolitów, wiele wielosiarczków ulega rozpuszczeniu. Rozpuszczenie LiSn w elektrolitach prowadzi do nieodwracalnej utraty aktywnego materiału.
Bezpieczeństwo
Z uwagi na wysoką pojemność energetyczną oraz nieliniową charakterystykę rozładowania i ładowania, w przypadku tych akumulatorów często wykorzystuje się mikrokontroler oraz różne układy bezpieczeństwa (np. regulator napięcia wyjściowego), aby monitorować stan ogniwa i zapobiegać jego gwałtownemu rozładowaniu.
Rozwój technologii Li-S
Na Uniwersytecie w Waterloo opracowano ogniwo Li-S, które osiągnęło pojemność równą 84% pojemności teoretycznej oraz zminimalizowany efekt utraty pojemności podczas cyklu ładowania. To potencjalnie przekłada się na czterokrotnie większą pojemność w porównaniu do akumulatorów litowo-jonowych. Osiągnięto to dzięki zastosowaniu drobnoporowej katody węglowej. Siarka i węgiel zostały zmielone oraz podgrzane, co zmniejszyło napięcie powierzchniowe siarki, umożliwiając jej wniknięcie do porów i pozostawiając wystarczająco dużo miejsca na rozszerzanie się podczas działania ogniwa. Następnie układ ten został podgrzany w celu usunięcia reszty siarki z powierzchni. Powierzchnię katody pokryto poli(tlenkiem etylenu), który odpycha hydrofobowe wielosiarczki, co ogranicza ich straty związane z rozpuszczaniem w elektrolicie. W testach, w których jako rozpuszczalnik użyto 1,2-dimetoksyetanu o wyjątkowo dużej zdolności do rozpuszczania wielosiarczków, tradycyjna katoda Li-S utraciła 96% siarki w ciągu 30 cykli ładowania, podczas gdy nowa katoda tylko 25%.
Loading ...