Οι μπαταρίες λιθίου-θείου έχουν το δυναμικό να χρησιμοποιηθούν στην αποθήκευση ενέργειας, προσφέροντας εξαιρετική θεωρητική χωρητικότητα και απόδοση χρησιμοποιώντας ένα ευρέως διαθέσιμο στοιχείο. Ωστόσο, ο περίπλοκος μηχανισμός της αντίδρασης μείωσης, ιδιαίτερα κατά τη διάρκεια της εκφόρτισης, αποτελεί πρόκληση.
Οι ερευνητές του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνια, Λος Άντζελες (UCLA), έχουν εντοπίσει τις κύριες διαδρομές της αντίδρασης μείωσης του θείου που οδηγούν στην απώλεια ενέργειας και την αλλοίωση της μπαταρίας. Τα αποτελέσματα αυτής της μελέτης παρέχουν μια περιεκτική κατανόηση του δικτύου αντιδράσεων και εισάγουν πτυχές για τον σχεδιασμό ηλεκτροκαταλυτών για βελτιωμένες μπαταρίες.
Οι μπαταρίες λιθίου-θείου έχουν το δυναμικό να αποθηκεύσουν πέντε έως δέκα φορές περισσότερη ενέργεια από τις τρέχουσες μπαταρίες λιθίου-ιόντων με πολύ μικρότερο κόστος. Οι τρέχουσες μπαταρίες λιθίου-ιόντων χρησιμοποιούν πολυμερή οξείδιο του κοβάλτη ως καθοδικό υλικό, που είναι ένα ακριβό ορυκτό που εξάγεται με επιβλαβή τρόπο για τους ανθρώπους και το περιβάλλον. Οι μπαταρίες λιθίου-θείου αντικαθιστούν το οξείδιο του κοβάλτη με θείο, το οποίο είναι ευρέως διαθέσιμο και φθηνό, κοστίζοντας λιγότερο από το εκατοστό της τιμής του κοβαλτίου.
Ωστόσο, υπάρχει ένα πρόβλημα: οι χημικές αντιδράσεις, ιδιαίτερα η αντίδραση μείωσης του θείου, είναι πολύπλοκες και ασαφείς. Μη επιθυμητές παράπλευρες αντιδράσεις μπορούν να μειώσουν τον χρόνο ζωής της μπαταρίας πριν φτάσουν τα παραδοσιακά όρια λειτουργίας τους.
Τώρα, οι ερευνητές στο UCLA, με επικεφαλής τους τους χημικούς Xiangfeng Duan και Philippe Sautet, έχουν αποκρυπτογραφήσει τις κύριες διαδρομές της αντίδρασης αυτής. Τα αποτελέσματα αυτής της έρευνας, που περιγράφονται σε ένα άρθρο που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Nature, θα βοηθήσουν να διορθωθεί η αντίδραση για να βελτιωθούν η χωρητικότητα και ο χρόνος ζωής της μπαταρίας.
Η αντίδραση μείωσης του θείου στις μπαταρίες λιθίου-θείου απαιτεί 16 ηλεκτρόνια για να μετατρέψει μια μόριο θείου οκταατομικού κύκλου σε θειούχο λιθίο σε ένα καταλυτικό σύστημα αντίδρασης με πολλούς μπερδεμένους διαύλους και διάφορα ενδιάμεσα προϊόντα που ονομάζονται πολυθειιούχες λιθίου και πολλά άλλα παραπροϊόντα. Λόγω της πολυπλοκότητάς του, η διεξαγωγή έρευνας ήταν δύσκολη και η αναγνώριση ποιά μέρη της αντίδρασης χρειάζονται βελτίωση για να επιτευχθεί καλύτερη απόδοση της μπαταρίας υπήρξε ακόμα πιο δύσκολη.
Ένα σημαντικό θέμα είναι μια παράπλευρη αντίδραση όπου τα ενδιάμεσα προϊόντα πολυθειιούχων μεταναστεύουν, γνωστή ως “shuttling”, στο θετικό ηλεκτροδεσμικό που αποτελείται από μεταλλικό λίθιο και αντιδρούν με αυτό, καταναλώνοντας το θείο και το λίθιο. Αυτό οδηγεί σε απώλεια ενέργειας και γρήγορη μείωση της χωρητικότητας αποθήκευσης. Η σαφής αναγνώριση των κυρίων ενδιάμεσων προϊόντων και η απόκτηση καλύτερης κατανόησης του πώς αυτά τα ενδιάμεσα προϊόντα παράγονται ή εξαντλούνται θα βοηθήσει τους επιστήμονες να ελέγχουν αυτήν την μετακίνηση μεταξύ των ηλεκτροδίων και να ελαχιστοποιήσουν τη σπατάλη θείου και λιθίου.
Αυτή η νέα μελέτη αποκρυπτογραφεί για πρώτη φορά ολόκληρο το δίκτυο αντιδράσεων, θεσπίζει την κυρίαρχη μοριακή διαδρομή και αποκαλύπτει τον καθοριστικό ρόλο του ηλεκτροκαταλυτή στην τροποποίηση των κινητικών χαρακτηριστικών της αντίδρασης.
Η ομάδα πραγματοποίησε αρχικά θεωρητικούς υπολογισμούς για να καταρτίσει όλες τις πιθανές διαδρομές αντίδρασης και τα συνδεδεμένα ενδιάμεσα προϊόντα τους και, στη συνέχεια, πραγματοποίησε ηλεκτροχημική και φασματοσκοπική ανάλυση για να επιβεβαιώσει τα υπολογιστικά αποτελέσματα.
Βρέθηκε ότι η απόδοση της μπαταρίας κυριαρχείται από το Li2S4 ως κύριο ενδιάμεσο προϊόν, και η καταλυτική δράση αποδείχθηκε καθοριστική για την πλήρη μετατροπή του Li2S4 σε τελικό προϊόν εκφόρτισης (Li2S). Οι ηλεκτρόδοι με οξυφτάνη και θειοννιο γεωπολυμεροποιημένης άνθρακα επιτρέπουν αποτελεσματικά αυτήν τη μετατροπή. Η μελέτη έδειξε επίσης ότι το ενδιάμεσο Li2S6 δεν συμμετέχει άμεσα στην ηλεκτροχημική διαδικασία αλλά προκύπτει ως το κυρίως προϊόν παράπλευρων αντιδράσεων, συμβάλλοντας σημαντικά στο μη επιθυμητό φαινόμενο κινητικότητας των πολυθειιοχινών.
“Η μελέτη μας παρέχει θεμελιώδη γνώση για την αντίδραση μείωσης του θείου σε μπαταρίες λιθίου-θείου και δείχνει ότι υλικά κατάλληλα σχεδιασμένα ηλεκτροδότες μπορούν να επιταχύνουν τις αντιδράσεις φόρτισης και εκφόρτισης, να ελαχιστοποιούν τις παραπλεύρες αντιδράσεις και να βελτιώνουν τον χρόνο ζωής της μπαταρίας”, δήλωσε ο Duan.
“Η συνδυασμένη τεχνολογία μπαταριών και επιστήμης της κατάλυσης ανοίγει νέες δυνατότητες για συσκευές υψηλής χωρητικότητας και γρήγορης μετατροπής ενέργειας”, πρόσθεσε ο Sautet.
FAQ:
1. Ποια είναι η δυνητική εφαρμογή των μπαταριών λιθίου-θείου;
Οι μπαταρίες λιθίου-θείου έχουν το δυναμικό να αποθηκεύσουν πέντε έως δέκα φορές περισσότερη ενέργεια από τις τρέχουσες μπαταρίες λιθίου-ιόντων με πολύ μικρότερο κόστος.
2. Ποια είναι η κύρια πρόκληση που σχετίζεται με τις μπαταρίες λιθίου-θείου;
Ο περίπλοκος μηχανισμός της αντίδρασης, ιδιαίτερα κατά τη διάρκεια της εκφόρτισης, αποτελεί πρόκληση.
3. Ποιο είναι το κύριο πρόβλημα με την αντίδραση μείωσης του θείου στις μπαταρίες λιθίου-θείου;
Οι χημικές αντιδράσεις, ιδιαίτερα η αντίδραση μείωσης του θείου, είναι πολύπλοκες και ασαφείς, οι οποίες μπορούν να οδηγήσουν σε μη επιθυμητές παράπλευρες αντιδράσεις και μείωση του χρόνου ζωής της μπαταρίας.
4. Ποια είναι τα οφέλη της χρήσης θείου αντί για οξείδιο του κοβαλτίου στις μπαταρίες;
Το θείο είναι ευρέως διαθέσιμο και φθηνό, κοστίζοντας λιγότερο από το εκατοστό της τιμής του κοβαλτίου που χρησιμοποιείται σήμερα στις μπαταρίες λιθίου-ιόντων.
5. Πώς αντιμετώπισαν οι ερευνητές του UCLA το πρόβλημα με την αντίδραση μείωσης του θείου;
Οι ερευνητές πραγματοποίησαν θεωρητικούς υπολογισμούς, ηλεκτροχημική και φασματοσκοπική ανάλυση για να εντοπίσουν τις κύριες διαδρομές αντίδρασης και τα βασικά ενδιάμεσα προϊόντα, καθώς επίσης και για να διευκρινίσουν τον ρόλο της ηλεκτροκαταλυτικής στην τροποποίηση της κινητικότητας της αντίδρασης.
Ορισμοί:
1. Μπαταρίες λιθίου-θείου – μπαταρίες στις οποίες οι ηλεκτρόδοι αποτελούνται από λιθίο και θείο.
2. Πολυθειιοχινές ενδιάμεσα προϊόντα – ενδιάμεσα προϊόντα στην αντίδραση μείωσης του θείου στις μπαταρίες λιθίου-θείου.
3. Ηλεκτροχημική καταλυσμός – διαδικασία στην οποία ένας καταλύτης επιταχύνει μια ηλεκτροχημική αντίδραση.
4. Θείο – ένα στοιχείο που συμβολίζεται με το γράμμα Σ, το οποίο χρησιμοποιείται κατά κόρον ως καθοδικό υλικό στις μπαταρίες λιθίου-θείου.
Προτεινόμενοι σχετικοί σύνδεσμοι:
– Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, Λος Άντζελες
– Nature
The source of the article is from the blog macholevante.com