Drumul de la o descoperire de laborator la o aplicație în lumea reală poate fi lung și plin de provocări. Să luăm, de exemplu, bateria litiu-sulfură. Deși se mândrește cu avantaje semnificative față de bateriile litiu-ion existente utilizate în vehicule, încă nu a reușit să se impună pe piață, în ciuda anilor de dezvoltare riguroasă.
Această situație s-ar putea schimba în viitor datorită eforturilor oamenilor de știință de la Laboratorul Național Argonne al Departamentului de Energie al SUA(DOE). În ultimul deceniu, aceștia au făcut mai multe descoperiri esențiale legate de bateriile litiu-sulfur. Cea mai recentă descoperire a acestora, publicată în revista Nature, dezvăluie un mecanism de reacție necunoscut până acum, care rezolvă un neajuns major – durata de viață foarte scurtă a bateriilor.
Gui-Liang Xu, chimist în cadrul diviziei de Științe și Inginerie Chimică de la Argonne, a declarat: „Eforturile echipei noastre ar putea aduce SUA cu un pas mare mai aproape de un peisaj de transport mai verde și mai durabil.”
Bateriile litiu-sulfur oferă trei avantaje semnificative față de bateriile litiu-ion actuale. În primul rând, acestea pot stoca de două până la trei ori mai multă energie într-un volum dat, ceea ce duce la o autonomie mai mare a vehiculelor. În al doilea rând, costul lor mai scăzut, facilitat de abundența și accesibilitatea sulfului, le face viabile din punct de vedere economic. În cele din urmă, aceste baterii nu se bazează pe resurse critice precum cobaltul și nichelul, care s-ar putea confrunta cu penurie în viitor.
În ciuda acestor beneficii, tranziția de la succesul de laborator la viabilitatea comercială s-a dovedit a fi dificilă. Celulele de laborator au prezentat rezultate promițătoare, dar atunci când sunt aduse la dimensiuni comerciale, performanța lor scade rapid la încărcări și descărcări repetate.
Cauza care stă la baza acestei scăderi a performanței constă în dizolvarea sulfului din catod în timpul descărcării, ceea ce duce la formarea de polisulfuri de litiu solubile (Li2S6). Acești compuși pătrund în electrodul negativ de litiu metalic (anod) în timpul încărcării, ceea ce agravează și mai mult problema. În consecință, pierderea de sulf din catod și modificările în compoziția anodului împiedică în mod semnificativ performanța bateriei în timpul ciclării.
Într-un studiu anterior recent, oamenii de știință de la Argonne au dezvoltat un material catalitic care, atunci când a fost adăugat într-o cantitate mică la catodul de sulf, a eliminat practic problema pierderii de sulf. Deși acest catalizator s-a dovedit a fi promițător atât în celule de laborator, cât și în celule de dimensiuni comerciale, mecanismul său de funcționare la scară atomică a rămas o enigmă până în prezent.
Cea mai recentă cercetare a echipei a făcut lumină asupra acestui mecanism. În absența catalizatorului, polisulfurile de litiu se formează la suprafața catodului și suferă o serie de reacții, transformând în cele din urmă catodul în sulfură de litiu (Li2S).
„Dar prezența unei cantități mici de catalizator în catod face toată diferența”, a spus Xu.„Urmează o cale de reacție mult diferită, una lipsită de etape intermediare de reacție”.
Cheia este formarea de bule dense la scară nanometrică de polisulfuri de litiu pe suprafața catodului, care nu apar fără catalizator. Aceste polisulfuri de litiu se răspândesc rapid în întreaga structură a catodului în timpul descărcării și se transformă în sulfură de litiu formată din cristale de dimensiuni nanometrice. Acest proces previne pierderea de sulf și scăderea performanțelor în cazul celulelor de dimensiuni comerciale.
Pentru a descifra această cutie neagră a mecanismului de reacție, cercetătorii au folosit tehnici de caracterizare de ultimă generație. Analizele structurii catalizatorului cu ajutorul fasciculelor intense de raze X sincrotronice de la linia de fascicule 20-BM a sursei de fotoni avansați, o instalație a DOE Office of Science, au arătat că acesta joacă un rol esențial în calea reacției. Structura catalizatorului influențează forma și compoziția produsului final la descărcare, precum și a produselor intermediare. Cu ajutorul catalizatorului, la descărcarea completă se formează sulfură de litiu nanocristalină. Fără catalizator, se formează în schimb structuri în formă de tije la scară mică.
O altă tehnică vitală, dezvoltată la Universitatea Xiamen, a permis echipei să vizualizeze interfața electrod-electrolit la scară nanometrică în timp ce o celulă de testare funcționa. Această tehnică nou inventată a ajutat la stabilirea unei legături între modificările la scară nanometrică și comportamentul unei celule în funcțiune.
„Pe baza descoperirii noastre interesante, vom face mai multe cercetări pentru a proiecta catozi de sulf și mai buni”, a precizat Xu. „De asemenea, ar fi util să explorăm dacă acest mecanism se aplică și altor baterii de generație următoare, cum ar fi cele cu sodiu-sulfură.”
Cu această ultimă descoperire a echipei, viitorul bateriilor cu litiu-sulfur pare mai luminos, oferind o soluție mai durabilă și mai ecologică pentru industria transporturilor.