Nový katalyzátor prodlužuje životnost lithium-sírových baterií: Po 600 cyklech si drží 93 % kapacity
InovaceČínští vědci vyvinuli nový katalyzátor, který pomohl lithium-sírové baterii udržet 93 procent své kapacity i po 600 nabíjecích a vybíjecích cyklech.
Čínští vědci vyvinuli nový katalyzátor, který pomohl lithium-sírové baterii udržet 93 procent své kapacity i po 600 nabíjecích a vybíjecích cyklech. Tento pokrok by mohl odstranit jednu z největších překážek komercializace této vysoce energetické bateriové technologie.
Tým pod vedením profesora Jie Suna ze Shaanxi Normal University uvedl, že materiál, katalyzátor na bázi pevného roztoku nitridu titanu a chromu, byl navržen tak, aby účinně zachycoval a rychle přeměňoval polysulfidy lithia. Tyto sloučeniny jsou považovány za hlavní příčinu takzvaného kyvadlového efektu, který zkracuje životnost baterie a snižuje její účinnost. Vědci zdůraznili, že nový design zlepšuje jak dlouhodobou stabilitu, tak rychlost reakcí uvnitř baterie.
Lithium-sírové baterie přitahují pozornost, protože nabízejí podstatně vyšší teoretickou energetickou hustotu než konvenční lithium-iontové články a zároveň využívají síru, což je levný a hojně dostupný materiál. Tato chemie poskytuje teoretickou měrnou kapacitu 1675 mAh g-1 a energetickou hustotu až 2600 Wh kg-1, což je výrazně více než u lithium-iontových baterií, a činí z nich silného kandidáta pro systémy skladování energie nové generace.
Tým vyrobil flexibilní membrány CNFs@TCN pomocí elektrostatického zvlákňování a vysokoteplotní nitridace. Nepřetržitým nastavováním poměru prekurzorů titanu a chromu dokázali ladit elektronickou strukturu katalyzátoru na atomární úrovni. Modelování a experimenty ukázaly, že nejlepšího výkonu bylo dosaženo, když byl atomární poměr titanu k chromu 1:2. V této konfiguraci katalyzátor vykazoval silnější adsorpci polysulfidů a rychlejší přenos náboje než čistý TiN nebo CrN. Tato optimalizovaná konfigurace umožnila materiálu vyvážit chemické zachycování s účinnou elektrochemickou přeměnou, čímž přímo řešila hlavní příčiny poklesu kapacity a špatné stability cyklování.
Při výkonnostních testech elektroda CNFs@TCN-1/2 dosáhla měrné kapacity 801 mAh g-1 a udržela si 93 % své kapacity po 600 cyklech při 2 C. Uváděná rychlost poklesu kapacity činila pouhých 0,012 procenta na cyklus. Tyto údaje naznačují, že katalyzátor dokáže výrazně potlačit kyvadlový efekt a zároveň podporovat stabilní provoz s dlouhým cyklem, což jsou dvě hlavní výzvy pro lithium-sírové baterie. Výsledky také poukazují na zlepšenou reakční kinetiku, která je nezbytná pro udržení účinnosti během opakovaného nabíjení a vybíjení.
Pokud bude technologie škálovatelná, mohla by podpořit budoucí využití lithium-sírových baterií v elektromobilech, leteckých systémech a velkokapacitním skladování energie. Vědci věří, že tento přístup k ladění elektronické struktury materiálu na atomární úrovni by mohl být využit i k návrhu katalyzátorů pro jiné technologie skladování a přeměny energie, čímž se jeho význam rozšiřuje i mimo lithium-sírové systémy. Při dalším vývoji by tato strategie mohla přispět k odolnějším a účinnějším bateriovým chemiím vhodným pro rozsáhlé nasazení čisté energie.