Tyrėjai iš Čikagos universiteto „Pritzker“ molekulinės inžinerijos mokyklos (UChicago PME) pritaikė vienpakopį malimo procesą, siekdami įvertinti sieros tinkamumą kietojo elektrolito baterijoms. Šis gausiai randamas, 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, lyginant 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 ir todėl pigus medžiagų šaltinis baterijoms. Vis dėlto jos plačiam pritaikymui trukdė prigimtinis izoliacinis pobūdis ir labai menkas elektrinis laidumas. UChicago PME tyrėjai manė, kad tinkamai parinktas dalelių dydis gali iš esmės pakeisti situaciją ir padaryti sierą žymiai naudingesnę kietojo elektrolito baterijose.
Vienpakopis malimo procesas
Elektromobilių gamintojai siekia pereiti prie kietojo elektrolito baterijų, nes jos yra saugesnės. Skirtingai nuo ličio jonų baterijų su skystu elektrolitu, kuris avarijos atveju gali užsidegti, kietojo elektrolito baterijose naudojami nedegūs elektrolitai, todėl jos yra iš esmės saugesnės.
Sieros pagrindo kietojo elektrolito bateriją sudaro trys pagrindiniai komponentai: kietojo elektrolito medžiaga, laidžioji anglis ir aktyvioji sieros medžiaga. Baterijos viduje šie trys komponentai egzistuoja miltelių pavidalu ir paprastai būna arba maišomi rankiniu būdu, arba malami atskirai, o vėliau sumaišomi.
Abu tradiciniai metodai buvo ne tik imlūs laikui, bet ir neefektyvūs: sieros ir elektrolito dalelės nebūdavo pakankamai glaudžiai susijusios, todėl siera būdavo išnaudojama tik iš dalies, o tai mažino baterijos veikimo charakteristikas.
UChicago PME tyrėjai sukūrė vienpakopį malimo procesą, kurio metu visi trys komponentai sumalami kartu. Taip sukuriama metastabili sandūra tarp medžiagų, kuri pagerina elektrolito sąveiką su sieros katodo medžiaga ir žymiai padidina baterijos našumą.
Jų sukurtoje sistemoje sieros pagrindo kompozitinis katodas išvystė maždaug 1500 miliampervalandžių (mAh) vienam gramo iškrovos specifinę talpą. Tai yra labai artima teorinei sieros talpai, siekiančiai 1675 mAh vienam gramui.
Sprendimas daugiau nei vienai problemai
„Užuot pridėję naujų medžiagų ar dangų, mes parodėme, kad pakanka kruopščiau išdėstyti esamus komponentus, ir siera gali reaguoti daug efektyviau“, – sakė „LG Energy Solution“ tyrėjas Seung Bo Yang, kurio vadovaujama komanda taip pat dalyvavo šiame darbe.
„Optimizuodami dalelių dydį ir jų sumaišymo būdą, galime pasiekti didelę talpą ir praktišką energijos išėjimą visiškai kietojo elektrolito baterijoje.“
Tačiau ši komanda išsprendė ne tik efektyvumo klausimą. Baterijos susiduria ir su taip vadinamu „kvėpavimo“ reiškiniu, kai medžiagos įkrovimo ir iškrovimo ciklų metu plečiasi ir traukiasi. Įdomu tai, kad siera elgiasi priešingai nei daugelis kitų įprastai naudojamų medžiagų: kai jos traukiasi, siera plečiasi 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, abipusiai kompensuodamos tūrio pokyčius ir mažindamos 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 dideliu mastu“, – sakė UChicago PME profesorė Shirley Meng.
„Ši UChicago PME, UC San Diego ir „LG Energy Solution“ partnerystė toliau rodo, kad maža kaina ir aukštas našumas nėra priešingi tikslai. Priešingai – tai yra vienintelis kelias, kuriuo turime eiti, jei norime sukurti ilgalaikį poveikį realiame pasaulyje.“
