Tyrėjai iš Čikagos universiteto „Pritzker“ molekulinės inžinerijos mokyklos (UChicago PME) pritaikė vienpakopį malimo procesą, siekdami įvertinti sieros tinkamumą kietojo elektrolito baterijoms. Šis gausiai randamas ir nebrangus elementas pasižymi didele teorine talpa, tačiau iki šiol nebuvo plačiai naudojamas pramoniniu mastu.
Prognozuojama, kad didėjanti elektros transporto paklausa iki šio dešimtmečio pabaigos padvigubins ličio jonų baterijų poreikį, palyginti su 2023 metų lygiu. Augančios ličio ir kitų komponentų, pavyzdžiui, kobalto, kainos gali tapti rimta kliūtimi pereinant nuo iškastinio kuro prie tvaresnių energijos šaltinių.
Siera, priešingai, yra itin gausus, todėl ir pigus žaliavų šaltinis baterijoms. Vis dėlto jos platesnį pritaikymą ribojo natūraliai izoliacinės savybės ir labai menkas elektrinis laidumas. UChicago PME tyrėjai kėlė prielaidą, kad tinkamai parinktas dalelių dydis galėtų iš esmės pakeisti situaciją ir padaryti sierą gerokai naudingesnę kietojo elektrolito baterijose.
Vienpakopis malimo procesas
Elektromobilių gamintojai vis aktyviau siekia pereiti prie kietojo elektrolito baterijų, nes jos laikomos saugesnėmis. Skirtingai nei ličio jonų baterijose su skystu elektrolitu, kuris avarijos atveju gali užsidegti, kietojo elektrolito baterijose naudojami nedegūs elektrolitai, todėl tokia technologija iš esmės mažina gaisro riziką.
Sieros pagrindo kietojo elektrolito baterijoje paprastai išskiriami trys pagrindiniai komponentai: kietojo elektrolito medžiaga, laidžioji anglis ir aktyvioji sieros medžiaga. Baterijos viduje šie trys komponentai būna miltelių pavidalo ir dažniausiai arba maišomi rankiniu būdu, arba malami atskirai, o vėliau sumaišomi.
Abu tradiciniai metodai yra ne tik imlūs laikui, bet ir nepakankamai efektyvūs: sieros ir elektrolito dalelės ne visada būna pakankamai glaudžiai susietos. Dėl to siera išnaudojama tik iš dalies, o baterijos veikimo charakteristikos nukenčia.
UChicago PME tyrėjai sukūrė vienpakopį malimo procesą, kai visi trys komponentai sumalami kartu. Taip susiformuoja metastabili sandūra tarp medžiagų, pagerinanti elektrolito sąveiką su sieros katodo medžiaga ir reikšmingai didinanti baterijos našumą.
Jų sukurtoje sistemoje sieros pagrindo kompozitinis katodas pasiekė apie 1500 miliampervalandžių (mAh) vienam gramui iškrovos specifinę talpą. Tai labai artima teorinei sieros talpai, siekiančiai 1675 mAh vienam gramui.
Sprendimas daugiau nei vienai problemai
„Užuot pridėję naujų medžiagų ar dangų, parodėme, kad pakanka kruopščiau išdėstyti esamus komponentus, ir siera gali reaguoti gerokai efektyviau“, – teigė „LG Energy Solution“ tyrėjas Seung Bo Yang, kurio vadovaujama komanda taip pat prisidėjo prie šio darbo.
„Optimizuodami dalelių dydį ir jų sumaišymo būdą, galime pasiekti didelę talpą ir praktišką energijos išeigą visiškai kietojo elektrolito baterijoje“, – pridūrė jis.
Vis dėlto komanda sprendė ne vien efektyvumo klausimą. Baterijose pasireiškia ir vadinamasis „kvėpavimo“ reiškinys, kai medžiagos įkrovimo ir iškrovimo ciklų metu plečiasi ir traukiasi. Įdomu tai, kad siera elgiasi priešingai nei daugelis įprastai naudojamų medžiagų: kai kitos linkusios plėstis, siera traukiasi, ir atvirkščiai.
Siekdami pasinaudoti šia savybe, tyrėjai suporavo silicio neigiamą elektrodą su ličio sulfido teigiamu elektrodu. Tokiu būdu viena baterijos pusė plėtėsi, o kita traukėsi, todėl tūrio pokyčiai iš dalies kompensuodavo vieni kitus ir mažino bendrą baterijos paketo storio kitimą.
„Labai našios baterijos niekam nepadės, jei liks tik laboratorijose. Norint pasiekti mūsų energijos ir klimato tikslus, jos turi būti pritaikytos realiame pasaulyje. Tai reiškia, kad jos privalo būti gaminamos už priimtiną kainą ir dideliu mastu“, – sakė UChicago PME profesorė Shirley Meng.
„Ši UChicago PME, UC San Diego ir „LG Energy Solution“ partnerystė dar kartą parodo, kad maža kaina ir aukštas našumas nėra priešingi tikslai. Priešingai – tai vienintelis kelias, kuriuo turime eiti, jei norime sukurti ilgalaikį poveikį realiame pasaulyje“, – pabrėžė ji.
