Akumulator sodowo-siarkowy stworzony przez inżynierów z University of Texas w Austin rozwiązuje jedną z największych przeszkód dotychczas powstrzymujących tę technologię jako komercyjnie opłacalną alternatywę dla wszechobecnych akumulatorów litowo-jonowych, które zasilają wszystko, od smartfonów poprzez wszelkie urządzenia elektryczne po magazyny energii i pojazdy elektryczne.
Sód i siarka wyróżniają się jako atrakcyjne materiały do przyszłej produkcji baterii, ponieważ są tańsze i szerzej dostępne niż materiały takie jak lit i kobalt, które budzą także obawy związane z ochroną środowiska i prawami człowieka. Z tego powodu naukowcy pracowali przez ostatnie dwie dekady, aby zapewnić opłacalność akumulatorów sodowych działających w temperaturze pokojowej. – Nazywam to technologią marzeń, ponieważ sód i siarka występują w dużych ilościach, są przyjazne dla środowiska i stanowią najniższy możliwy koszt, o jakim można pomyśleć – powiedział Arumugam Manthiram, dyrektor Texas Materials Institute i profesor na Wydziale Inżynierii Mechanicznej Walkera. – Wraz z rozszerzoną elektryfikacją i rosnącym zapotrzebowaniem na magazynowanie energii odnawialnej, koszt i dostępność będą jedynymi dominującymi czynnikami.
Jednym z dwóch ostatnich osiągnięć w zakresie akumulatorów sodowych z naukowców z UT Austin było zmodyfikowanie składu elektrolitu – cieczy, która ułatwia ruch jonów tam i z powrotem między katodą a anodą, aby stymulować ładowanie i rozładowywanie akumulatorów. Zajęli się oni powszechnym problemem w akumulatorach sodowych, polegającym na narastaniu struktur przypominających igły, zwanych dendrytami, na anodzie, mogących powodować szybką degradację akumulatora, zwarcie, a nawet zapalenie lub wybuch. Naukowcy opublikowali swoje odkrycia w „Journal of the American Chemical Society”.
W poprzednich elektrolitach do akumulatorów sodowo-siarkowych związki pośrednie utworzone z siarki rozpuszczały się w ciekłym elektrolicie i migrowały między dwiema elektrodami w akumulatorze. Ta dynamika, nazywana wahadłowcem, może prowadzić do utraty materiału, degradacji komponentów i tworzenia dendrytów. Naukowcy stworzyli elektrolit, który zapobiega rozpuszczaniu się siarki, a tym samym rozwiązuje problemy związane z transportem i dendrytem. Zapewnia to dłuższy cykl życia baterii, wykazując stabilną wydajność przez ponad 300 cykli ładowania i rozładowania.
– Kiedy do wody dodasz dużo cukru, staje się syropem, ale nie wszystko się rozpuszcza. Niektóre rzeczy są w połowie powiązane, a w połowie rozwiązane. W baterii chcemy, aby to był stan w połowie rozpuszczony – powiedział Amruth Bhargav, doktorant w laboratorium Manthirama.
W podobnym duchu zaprojektowano nowy elektrolit akumulatorowy, rozcieńczając stężony roztwór soli obojętnym, nieuczestniczącym rozpuszczalnikiem, który zachowuje stan „połowicznie rozpuszczony”. Naukowcy odkryli, że taki elektrolit zapobiega niepożądanym reakcjom na elektrodach, a tym samym przedłuża żywotność baterii.
Cena litu w 2021 r. poszybowała w górę, podkreślając potrzebę znalezienia alternatyw. Wydobycie litu zostało skrytykowane ze względu na jego wpływ na środowisko, w tym intensywne zużycie wód gruntowych, zanieczyszczenie gleby i wody oraz emisję dwutlenku węgla. Dla porównania sód jest dostępny w oceanie, tańszy i bardziej przyjazny dla środowiska.
Baterie litowo-jonowe zazwyczaj wykorzystują również kobalt, który jest drogi i wydobywany głównie w afrykańskiej Demokratycznej Republice Konga, gdzie jego eksploatacja budzi wiele zastrzeżeń srodowiskowych i nie jest obojętna dla zdrowia ludzi. W zeszłym roku Manthiram zademonstrował bezkobaltową baterię litowo-jonową.Naukowcy planują wykorzystać swój przełom, testując go z większymi bateriami, aby sprawdzić, czy można go zastosować w technologiach dla pojazdów elektrycznych i magazynowaniu zasobów odnawialnych, takich jak energia wiatru i Słońca.
Badania były finansowane z grantów Biura Podstawowych Nauk Energetycznych Departamentu Energii, Departamentu Materiałoznawstwa i Inżynierii.
Źródło: The University of Texas at Austin
Zaprenumeruj Magazyn Fotowoltaika
