Katodi uz silīcija bāzes stabilizē Li-S šūnas. Efekts: vairāk nekā 2 uzlādes cikli vairāku desmitu vietā

Zinātnieki no Daegu Zinātnes un tehnoloģijas institūta (DGIST, Dienvidkoreja) ir izstrādājuši uz silīcija bāzes veidotu katodu, kas, domājams, izturēs vairāk nekā 2 uzlādes ciklus Li-S šūnās. Klasiskās litija jonu šūnas anodos izmanto tīru silīciju, lai papildinātu un pakāpeniski aizstātu grafītu. Šeit tika izmantots silīcija oksīds, bet katodā tika izmantots silīcija dioksīds.

Li-S šūna = litija anods, silīcija dioksīda katods ar sēru

Li-S šūnas tiek uzskatītas par interesantām to augstā enerģijas blīvuma, svara un zemo ražošanas izmaksu dēļ. Taču nevienam vēl nav izdevies izveidot versiju, kas izturētu vairāk nekā vairākus desmitus uzlādes ciklu. Tas viss ir saistīts ar litija polisulfīdiem (LiPS), kas izlādes laikā izšķīst elektrolītā un reaģē ar anodu, samazinot tā kapacitāti un rezultātā iznīcinot akumulatoru.

Iespējams, ka Dienvidkorejas pētnieki ir atraduši problēmas risinājumu. Oglekļa materiālu (piemēram, grafīta) vietā viņi izmantoja katodu. mezoporainā silīcija dioksīda (POMS) lamelārā struktūra.

Lamelārā struktūra ir saprotama, savukārt mezoporozitāte attiecas uz poru (dobumu) uzkrāšanos silīcija dioksīdā, kam ir mērķa izmērs, platības blīvums un maza izmēra dispersija (avots). Tas ir mazliet kā regulāri bakstīšanās caur blakus esošajām silikāta plāksnēm, lai izveidotu sietu.

DGIST zinātnieki izmantoja šos caurumus, lai tajos nogulsnētu sēru (attēls a). Izplūdes laikā sērs izšķīst un kopā ar litiju veido litija polisulfīdus (LiPS). Tādējādi lādiņš plūst, bet LiPS paliek iesprostots katoda tuvumā papildu nenoteiktā oglekļa faktora dēļ (melnā struktūra, b attēls).

Uzlādes laikā LiPS atbrīvo litiju, kas tiek atgriezts litija anodā. No otras puses, sērs tiek pārveidots par silīcija dioksīdu. Nav LiPS noplūdes uz anodu, nav metāla bojājumu.

Šādi izveidotais Li-S akumulators saglabā augstu ietilpību un stabilitāti vairāk nekā 2 darba cikliem. Vismaz 500-700 darbības cikli tiek uzskatīti par standarta klasiskajām litija jonu šūnām, lai gan jāpiebilst, ka labi apstrādātas litija jonu šūnas var izturēt vairākus tūkstošus ciklu.