Akumulator litowo-siarkowy

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Skocz do: nawigacji, wyszukiwania

Akumulator litowo-siarkowy (Li-S) – ładowalne ogniwo galwaniczne, w którym anoda wykonana jest z litu, a katoda zawiera siarkę i wielosiarczki litu. Charakteryzuje się bardzo dużą pojemnością[1]. Dzięki niskiej gęstości litu oraz umiarkowanej gęstości siarki, akumulatory Li-S są względnie lekkie; ich gęstość wynosi ok. 1 g/cm3. Akumulatory Li-S mają znacznie większą pojemność niż akumulatory litowo-jonowe, a ich koszt produkcji jest niższy ze względu na wykorzystanie taniej siarki. Niekorzystną cechą jest ich szybko spadająca pojemność podczas kolejnych cykli ładowania/rozładowywania[2].

Akumulatory Li-S zostały wykorzystane w najdłuższym i najwyższym locie samolotu zasilanym bateriami słonecznymi w sierpniu 2008 roku[3].

Chemia[edytuj | edytuj kod]

Rozładowanie ogniwa Li-S sumarycznie opisać można jako reakcję:

16Li + S8 → 8Li2S

Na anodzie zachodzi utlenianie litu:

Li → Li+ + e

Na katodzie następuje redukcja siarki do wielosiarczków i dalej do siarczku litu:

S8 → Li2S8 → Li2S6 → Li2S4 → Li2S3 → Li2S2 → Li2S

Podczas ładowania ma miejsce proces odwrotny – wydzielanie litu na anodzie i utlenianie siarczku i wielosiarczków na katodzie[4]. Wykorzystanie metalicznego litu pozwala na osiągnięcie większego upakowania tego pierwiastka w porównaniu do konwencjonalnych ogniw litowo-jonowych, w których wykorzystywane są związki litu.

W większości akumulatorów budowanych w celach eksperymentalnych katody są wykonywane z węgla i siarki, a anody z litu[5]. Powszechność występowania i niska cena siarki jest jej główną zaletą przy masowej produkcji, ale jej wadą jest mała przewodność elektryczna właściwa, 5×10−30 S cm−1 w 25 °C[6]. Powłoka węglowa na siarce zapewnia zwiększoną przewodność elektryczną w porównaniu do samej siarki. Rozwiązaniem tego problemu są węglowe nanorurki. Materiały węglowe zapewniają dużo skuteczniejszą ścieżkę przewodzenia elektronów oraz integralność strukturalną. Minusem stosowania nanorurek węglowych jest wysoki koszt ich wytwarzania[7].

Zużycie[edytuj | edytuj kod]

Jednym z najbardziej podstawowych problemów większości ogniw litowo-siarkowych jest pośrednia reakcja z elektrolitami. Podczas gdy S i Li2S są względnie nierozpuszczalne w większości elektrolitów, wiele wielosiarczków rozpuszcza się. Rozpuszczanie LiSn w elektrolitach powoduje nieodwracalną utratę aktywnego materiału[8].

Bezpieczeństwo[edytuj | edytuj kod]

Z uwagi na wysoką pojemność energetyczną i nieliniową krzywą rozładowywania i ładowania ogniwa, czasem przy tych akumulatorach używa się mikrokontrolera oraz różnych obwodów bezpieczeństwa (np. regulator napięcia wyjściowego), aby kontrolować stan ogniwa oraz zapobiec jego gwałtownemu rozładowaniu się[9].

Rozwój technologii Li-S[edytuj | edytuj kod]

Na Uniwersytecie w Waterloo zbudowano ogniwo Li-S o pojemności wynoszącej 84% pojemności teoretycznej oraz wykazujące zminimalizowany efekt utraty pojemności podczas cyklu ładowania, co potencjalnie przekłada się na 4-krotnie większą pojemność w porównaniu do akumulatorów litowo-jonowych. Dokonano tego przez użycie drobnoporowej katody węglowej. Siarka i węgiel zostały zmielone i podgrzane, co zmniejszyło napięcie powierzchniowe siarki, umożliwiając jej przedostanie się do porów i pozostawiając wystarczająco dużo miejsca na jej rozszerzanie się podczas pracy ogniwa. Układ ten został następnie podgrzany aby usunąć resztę siarki z powierzchni. Powierzchnia katody została powleczona poli(tlenkiem etylenu), który odpycha hydrofobowe wielosiarczki, co ogranicza ich straty przez rozpuszczanie w elektrolicie. W testach, w których jako rozpuszczalnika użyto 1,2-dimetoksyetanu o szczególnie dużej zdolności do rozpuszczania wielosiarczków, tradycyjna katoda Li-S utraciła 96% siarki przez 30 cykli ładowania, podczas gdy nowa katoda tylko 25%[10].

Przypisy

  1. Moore, Wm. (11 December 2004) "Sion Introduces a Lithium Sulfur Rechargeable Battery" EV World
  2. Guangyuan Zheng, Yuan Yang, Judy J. Cha, Seung Sae Hong, Yi Cui. Hollow Carbon Nanofiber-Encapsulated Sulfur Cathodes for High Specific Capacity Rechargeable Lithium Batteries. „Nano Lett.”. 11 (10), s. 4462–4467, 2011. doi:10.1021/nl2027684. 
  3. Amos, J. (24 August 2008) "Solar plane makes record flight" BBC News
  4. Tudron, F.B., Akridge, J.R., Puglisi, V.J.: Lithium-Sulfur Rechargeable Batteries: Characteristics, State of Development, and Applicability to Powering Portable Electronics. Sion Power Corporation, 2004. [dostęp 2012-09-11].
  5. Young-Jin Choi, Ki-Won Kim, Hyo-Jun Ahn, Jou-Hyeon Ahn. Improvement of cycle property of sulfur electrode for lithium/sulfur battery. „Journal of Alloys and Compounds”. 449 (1–2), s. 313–316, 2008. doi:10.1016/j.jallcom.2006.02.098. 
  6. Lange's Handbook of Chemistry. Wyd. trzecie. J.A. Dean, 1985.
  7. Young-Jin Choi, Young-Dong Chung, Chang-Yong Baek, Ki-Won Kim, Hyo-Jun Ahn, Jou-Hyeon Ahn. Effects of carbon coating on the electrochemical properties of sulfur cathode for lithium/sulfur cell. „Journal of Power Sources”. 184 (2), s. 548–552, 2008. doi:10.1016/j.jpowsour.2008.02.053. 
  8. S.S. Jeong, Y.T. Lim, Y.J. Choi, G.B. Cho, K.W. Kim, H.J. Ahn, K.K. Cho. „Journal of Power Sources”. 174 (2), s. 745–750, 2007. doi:10.1016/j.jpowsour.2007.06.108. 
  9. Akridge, J.R. (October 2001) "Lithium Sulfur Rechargeable Battery Safety" Battery Power Products & Technology
  10. X. Ji, KT. Lee, LF. Nazar. A highly ordered nanostructured carbon-sulphur cathode for lithium-sulphur batteries. „Nat Mater”. 8 (6), s. 500-506, 2009. doi:10.1038/nmat2460. PMID 19448613.