Czy wiesz, że baterie zasilające nasze smartfony i samochody elektryczne stoją u progu kolejnego przełomu technologicznego? Badacze z Lawrence Berkeley National Laboratory opracowali akumulator litowo-siarkowy, który może naprawdę zmienić reguły gry na rynku magazynowania energii.
Dlaczego naukowcy od lat wzdychają do ogniw litowo-siarkowych i co sprawiło, że dopiero teraz możemy mówić o prawdziwym przełomie? I dlaczego jeszcze nie możesz ich kupić...?
Czego dowiesz się z lektury?
- Przełomowa technologia litowo-siarkowa zapewnia niemal dwukrotnie wyższą gęstość energii (do 500 Wh/kg) w porównaniu do standardowych akumulatorów litowo-jonowych, wykorzystując tańszą, bardziej dostępną i przyjazną środowisku siarkę zamiast kobaltu.
- Badacze z Lawrence Berkeley National Laboratory pokonali dotychczasowe przeszkody (m.in. "efekt wahadła polisiarczkowego" i niską przewodność elektryczną siarki) poprzez zastosowanie nanokompozytowej katody z powłoką ochronną, elastomerowego spoiwa i specjalnego elektrolitu, osiągając stabilną pracę przez ponad 1500 cykli ładowania.
- Komercjalizacja technologii Li-S jest w toku - firma Lyten uruchomiła pilotażową linię produkcyjną i planuje budowę gigafabryki w Nevadzie, ale pierwsze zastosowania pojawią się prawdopodobnie w magazynach energii dla farm słonecznych i wiatrowych oraz w lotnictwie, a dopiero za 3-5 lat mogą trafić do elektroniki konsumenckiej i samochodów elektrycznych.
Przeczytaj również
- Bateria grafenowa – co warto o niej wiedzieć?
- Przyszłość akumulatorów i baterii – nowe technologie
- Akumulatory i baterie przyszłości – nad czym pracują naukowcy?
Co skrywa technologia litowo-siarkowa?
Innowacyjne ogniwa litowo-siarkowe (Li-S) to konstrukcja, w której katodę wykonano z siarki, a anodę z metalicznego litu. To właśnie ten duet obiecuje wydajność energetyczną niemal dwukrotnie wyższą niż w przypadku powszechnie stosowanych baterii litowo-jonowych. Podczas gdy standardowe akumulatory Li-ion osiągają gęstość energii około 200 Wh/kg, akumulatory litowo-siarkowe mogą osiągnąć nawet do 500 Wh/kg.
Siarka nie jest jednak materiałem wybranym przypadkowo. Jest tania, łatwo dostępna i - w przeciwieństwie do kobaltu używanego w bateriach litowo-jonowych - nie wiąże się z kontrowersyjnym wydobyciem w niestabilnych regionach. To materiał przyjazny środowisku, który może pomóc obniżyć koszty produkcji baterii.
Dlaczego nadal nie korzystamy z akumulatorów litowo-siarkowych?
Mimo swoich zaskakująco dobrych parametrów, ogniwa litowo siarkowe latami pozostawały głównie w laboratoriach. Powód? Seria uporczywych problemów technicznych.
Najpoważniejszym wyzwaniem jest tzw. "efekt wahadła polisiarczkowego". Podczas pracy baterii litowo-siarkowych, rozpuszczalne związki siarki z litem, wędrują z katody do anody i z powrotem, co prowadzi do szybkiej degradacji elektrod ogniwa. Już po 50-100 cyklach ładowania akumulator traci większość swojej pojemności.
Dodajmy też, że siarka ma praktycznie zerową przewodność elektryczną, wymuszając na projektantach stosowanie dużej ilości dodatków przewodzących. Problem stanowią także zmiany objętości podczas pracy – siarka rozszerza się nawet o 80% podczas ładowania i rozładowywania, niszcząc mechanicznie strukturę katody.
Przełom w dziedzinie ogniw ładowalnych, czyli Li-S z Berkeley Lab
Zespół badawczy kierowany przez profesora Eltona Cairnsa podszedł do problemu kompleksowo, stosując kilka innowacyjnych rozwiązań jednocześnie.
- Nanokompozytową katodę siarkowo-grafenową (S-GO) zabezpieczono specjalną powłoką z bromku cetylotrimetyloamoniowego (CTAB), która działa jak bariera ochronna.
- Zastosowano elastomerowe spoiwo (mieszankę gumy styrenowo-butadienowej z karboksymetylocelulozą), które lepiej znosi zmiany objętości.
- Opracowano nowy elektrolit bazujący na cieczy jonowej, który hamuje rozpuszczanie polisiarczków.
Rezultaty przerosły najśmielsze oczekiwania. Akumulatorek siarkowy zachowuje ponad 800 mAh/g nawet przy szybkim ładowaniu, a co najważniejsze – działa stabilnie przez ponad 1500 cykli ładowania i rozładowywania, tracąc zaledwie 0,039% pojemności na każdy cykl. To parametry nieosiągalne dla wcześniejszych wersji akumulatorków cylindrycznych Li-S.
Czy nadchodzi koniec ogniw litowo-jonowych?
Droga od laboratorium do masowej produkcji bywa długa. Kilka firm próbowało już komercjalizować technologię litowo-siarkową z różnym skutkiem.
Brytyjska firma OXIS Energy, mimo obiecujących prototypów, ostatecznie ogłosiła bankructwo w 2021 roku. Sony, które jako pierwsze wprowadziło na rynek baterie litowo-jonowe, zapowiadało komercjalizację technologii Li-S na 2020 rok, ale od czasu pierwszych zapowiedzi w 2015 roku firma milczy na ten temat.
Obecnie nadzieje budzi amerykańska firma Lyten, która w 2023 roku uruchomiła pilotażową linię produkcyjną, a w 2024 roku ogłosiła plany budowy wartej miliard dolarów gigafabryki w Nevadzie. Również Zeta Energy z Teksasu otrzymała niedawno 4 miliony dolarów od Departamentu Energii USA na rozwój swoich baterii Li-S.
Gigafabryka Lyten, akumulatory i baterie litowo-siarkowe i... Co dalej?
Ze względu na swoje właściwości, pierwsze komercyjne zastosowania technologii litowo-siarkowej możemy zobaczyć nie w smartfonach czy samochodach elektrycznych, lecz w zastosowaniach stacjonarnych – magazynach energii dla farm słonecznych i wiatrowych.
Innowacyjne ogniwa Li-S świetnie sprawdzą się też w lotnictwie czy kosmonautyce. Nie przypadkiem baterie tego rodzaju zostały użyte w najdłuższym i najwyższym locie bezzałogowego samolotu solarnego Zephyr w sierpniu 2008 roku.
Do powszechnego użytku w elektronice konsumenckiej czy samochodach baterie litowo-siarkowe mogą trafić w ciągu najbliższych 3-5 lat, o ile producenci zdołają przeskalować produkcję przy zachowaniu parametrów osiąganych w warunkach laboratoryjnych.
Czy akumulator litowo-siarkowy można kupić w sklepie BTO.pl?
Póki co nie, jednak wszystko wskazuje na to, że w ciągu najbliższych kilku lat mogą trafić również do naszego asortymentu. W międzyczasie zapraszamy do zapoznania się z bogatą ofertą tradycyjnych akumulatorów oraz ładowarek w korzystnych cenach. A w razie pytań - zapraszamy do kontaktu!
