...

Baterie litowo-siarkowe: pierwsza analiza multimodalna

7 marca 2022
Baterie litowo-siarkowe: pierwsza analiza multimodalna

Akumulatory litowo-siarkowe (Li/S) mają znacznie wyższą gęstość energii niż konwencjonalne akumulatory litowo-jonowe, ale bardzo szybko się starzeją. Zespół badaczy Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) po raz pierwszy zbadał akumulatory Li/S w odpowiednim dla branży formacie woreczka (płaskiej torebki) z różnymi elektrolitami. W badania zaangażowane były również zespoły z TU Dresden i Fraunhofer IWS. Dzięki specjalnie opracowanej celi pomiarowej impedancja, temperatura i ciśnienie mogą być rejestrowane w różnych momentach i łączone z obrazami radiograficznymi. Ocena pokazuje, jak elektrolit wpływa na powstawanie niepożądanych cząstek siarki i wielosiarczków. Badanie zostało opublikowane w renomowanym czasopiśmie „Advanced Energy Materials”.

Teoretycznie akumulatory litowo-siarkowe (Li/S) mają gęstość energetyczną 2500 watogodzin na kilogram (2,5 kWh/kg), czyli znacznie wyższą niż w przypadku konwencjonalnych akumulatorów litowo-jonowych. Ponadto akumulatory Li/S wykorzystują bardziej przyjazne dla środowiska materiały katodowe w porównaniu z akumulatorami litowo-jonowymi. Ale jest problem z akumulatorami Li/S: materiał aktywny zmienia się wraz ze wzrostem liczby cykli ładowania, metaliczna anoda litowa koroduje, a pojemność gwałtownie spada. Podejmowane są próby spowolnienia procesu starzenia za pomocą innowacyjnych elektrolitów i wyrafinowanych dodatków. Do tej pory jednak badano głównie baterie Li/S w konstrukcji ogniw guzikowych (pastylkowych), w których reakcje te zachodzą niejako zanurzone w elektrolicie.

Wiele zależy od formatu: ogniwa w woreczku
Dla przemysłu szczególnie interesujące są jednak inne formaty, takie jak ogniwa okrągłe (Tesla), ogniwa pryzmatyczne (grupa BMW) lub ogniwa kieszonkowe (Volkswagen). W tych formatach ilość elektrolitu jest niezwykle mała, co umożliwia szczególnie wysoką gęstość energii. W HZB po raz pierwszy przeprowadzono multimodalne badania operandowe ogniw Li/S w ramach finansowanego przez BMBF projektu „HiPoLiS”. We współpracy z zespołami z TU Dresden i Fraunhofer IWS zespół kierowany przez dr. Sebastiana Rissego zbadał jednowarstwowe ogniwa Li/S z różnymi elektrolitami. – Najpierw musimy zrozumieć procesy zachodzące w komórkach jednowarstwowych, zanim będziemy mogli wykorzystać wiedzę do optymalizacji wielu warstw w komórkach woreczkach – jest przekonany Risse.

Radiografia z danymi z czujnika
W swoich badaniach naukowcy połączyli ocenę danych pomiarowych z analizami radiografii rentgenowskiej. Przeprowadzono je w ścisłej współpracy z grupą kierowaną przez specjalistę ds. obrazowania HZB dr. Ingo Manke. – Umożliwiło nam to wypowiedzenie się na temat powstawania i osadzania cząstek siarki i wielosiarczków w trakcie cykli ładowania – mówi dr Rafael Müller, który odbywa staż podoktorski w grupie elektrochemicznej Risse’a. Pokazał on również, jak silny jest wpływ zastosowanego elektrolitu na powstawanie cząstek.

W multimodalnej celi pomiarowej, opracowanej przez firmę Müllera i Rissego, znajdują się różne czujniki: rejestrują one impedancję elektrochemiczną, temperaturę, ale także siły mechaniczne na elektrodach. Dodatkowo komora woreczka jest prześwietlana podczas całej operacji w celu wykonania radiogramu, z którego można wyciągnąć wnioski na temat procesów osadzania chemicznego.

Rysunek przedstawia rozmieszczenie czujników i różne stany ogniwa Li/S. Film przedstawiający procesy konwersji można obejrzeć w publikacji w często cytowanym czasopiśmie „Advanced Energy Materials”.

Laboratorium komórek torebkowych w HZB
Aby poczynić dalsze postępy w związku z tym formatem ogniw, w zeszłym roku prof. Yan Lu na wydziale elektrochemicznego magazynowania energii utworzył laboratorium ogniw woreczkach. Komórki te zbudowane są z prostokątnych elektrod w formacie karty kredytowej i są ułożone jedna na drugiej. Umieszczone są w zamykanym woreczku. Oddziela je tylko cienka folia separująca. W porównaniu do ogniw guzikowych, ogniwa kieszonkowe do zapewnienia transportu ładunku elektrycznego wymagają tylko niewielkiej ilości elektrolitu. Wszystkie procesy elektrochemiczne odbywają się zatem w znacznie bardziej suchych warunkach. – Niezbędna ilość elektrolitów ma bardzo silny wpływ na te procesy i dlatego należy je zbadać bezpośrednio w przemysłowym formacie ogniw – mówi Risse.

Energia dla Wingcoptera
Jednym z celów projektu HiPoLiS jest rozszerzenie zasięgu drona logistycznego partnera projektu Wingcopter z Darmstadt z ulepszonymi komorami ładowarkowymi z Drezna. W tym celu Fraunhofer IWS produkuje ogniwa Li/S z maksymalnie 40 warstwami, które są następnie integrowane z istniejącym zasilaniem drona.

Perspektywy: nanostruktury do katod
W oparciu o te prace pomyślnie uruchomiono kolejny projekt BMBF z sześcioma partnerami, o nazwie „SkaLiS”, który rozpoczął się w lipcu 2021 r. i jest koordynowany przez Sebastiana Rissego. Wielowarstwowe ogniwa woreczkowe o zoptymalizowanej strukturze katody i ulepszonym składzie elektrolitów (TU Dresden) są obecnie przedmiotem działań badawczych. Podejście materiałowe rozciąga się od specjalnie zsyntetyzowanych cząstek nanoskopowych (prof. Yan Lu) po makroskopową strukturę katod (Fraunhofer IWS). Nowe podejścia do materiałów są analizowane przez grupy robocze Mankego i Rissego we współpracy z TU Berlin.

Rozwój standardów UE i norm ISO
Ponadto pozyskano nowy projekt UE koordynowany przez PTB dotyczący metrologii pomiarów operandowych oraz definicji norm UE i norm ISO, który ma rozpocząć się we wrześniu 2022 r. Sebastian Risse kieruje pakietem roboczym dotyczącym operandowej spektroskopii impedancyjnej.

Źródło: Helmholtz Centre Berlin for Materials and Energy
Zdjęcie główne: WINGCOPTER

Zaprenumeruj Magazyn Fotowoltaika