Pokroky v technológii lítium-sírových batérií sľubujú dobré vyhliadky do budúcna.
Lítium-sírové batérie (Li-S) sa už dlhšie považujú za sľubnú alternatívu k tradičným lítium-iónovým batériám (Li-Ion), ktoré dominujú na trhu. Vďaka svojej vysokej energetickej hustote a dostupnosti síry ako suroviny by mohli priniesť revolúciu v oblasti energetického skladovania. Napriek tomu však ich komerčné využitie doteraz brzdili technické problémy, ako je nízka životnosť a pomalé nabíjanie.
Najnovšie výskumy však naznačujú, že tieto prekážky by mohli byť čoskoro prekonané. Dva nezávislé výskumné tímy – jeden z Južnej Kórey a druhý z Číny a Nemecka – dosiahli významné pokroky, ktoré by mohli posunúť lítium-sírové batérie bližšie k masovej výrobe. Aké sú však výhody lítium-sírových batérií? Ponúkajú niekoľko kľúčových výhod oproti tradičným lítium-iónovým batériám.
Vysoká energetická hustota. Síra má schopnosť uchovávať viac lítia na jednotku hmotnosti, čo znamená, že batérie môžu byť ľahšie a kompaktnejšie. Dostupnosť a nízke náklady. Síra je hojná a lacná surovina, čo by mohlo znížiť výrobné náklady batérií. Takisto na rozdiel od niektorých materiálov používaných v lítium-iónových batériách, ako je kobalt, je ťažba síry menej náročná na životné prostredie.
Napriek týmto výhodám však lítium-sírové batérie čelili viacerým technickým výzvam, ktoré obmedzovali ich praktické využitie. Hlavné problémy, ktoré bránili komercializácii lítium-sírových batérií, zahŕňajú nízku životnosť. Síra má tendenciu reagovať sama so sebou, čo vedie k tvorbe polysulfidov, ktoré sú rozpustné v elektrolyte. Tieto polysulfidy migrujú medzi elektródami, čo spôsobuje stratu aktívneho materiálu a znižuje kapacitu batérie.
Pomalé chemické reakcie medzi lítiom a sírou obmedzuje rýchlosť nabíjania. Navyše, síra sa pri ukladaní lítia rozširuje, čo môže poškodiť štruktúru batérie. Tieto problémy viedli k tomu, že lítium-sírové batérie mali tendenciu rýchlo degradovať a ich životnosť bola výrazne kratšia ako pri lítium-iónových batériách. Aké sú medzitým pokroky v technológii lítium-sírových batérií:
Tím vedený profesorom Jong-sung Yu z Južnej Kórey (DGIST) vyvinul nový materiál pre katódu, ktorý výrazne zlepšuje výkon lítium-sírových batérií. Tento materiál, nazývaný dusíkom dopovaný porézny uhlík, bol syntetizovaný pomocou tepelnej redukcie asistovanej horčíkom. Slúži ako hostiteľ pre síru v katóde batérie. Batéria dosiahla kapacitu 705 mAh g⁻¹ pri plnom nabití za 12 minút.
To predstavuje 1,6-násobné zvýšenie kapacity v porovnaní s konvenčnými batériami pri rýchlom nabíjaní. Po 1000 nabíjacích cykloch si batéria zachovala 82% svojej pôvodnej kapacity. Dusíkové dopovanie potláča migráciu polysulfidov a zlepšuje kontakt elektrolytu s katódou, čím sa zvyšuje rýchlosť reakcií. Druhý tím, zložený z čínskych a nemeckých vedcov, sa zameral na vývoj pevného elektrolytu, ktorý rieši problémy s pomalými reakciami medzi lítiom a sírou.
Tento elektrolyt je sklovitý materiál zložený z bóru, síry, lítia, fosforu a jódu. Jód v elektrolyte urýchľuje výmenu elektrónov so sírou, čím dramaticky zvyšuje rýchlosť reakcií na elektróde. Jód tiež funguje ako „urýchľovač“ pre elektróny, čo umožňuje rýchlejšie nabíjanie. A výsledok? Batéria si pri extrémne rýchlom nabíjaní (plné nabitie za 1 minútu) zachovala polovicu kapacity v porovnaní s pomalším nabíjaním.
Pri strednej rýchlosti nabíjania si batéria zachovala viac ako 80% kapacity po 25000 cykloch. Tieto pokroky prinášajú lítium-sírové batérie bližšie k praktickému využitiu. Kombinácia pokročilých katódových materiálov a inovatívnych elektrolytov by mohla vyriešiť dlhodobé problémy s ich životnosťou a rýchlosťou nabíjania. Nový typ batérie by mohol predĺžiť dojazd elektromobilov a znížiť ich hmotnosť.
Vďaka vyššej energetickej hustote by mohli byť batérie menšie a ľahšie. Dlhá životnosť a vysoká kapacita by mohli byť ideálne pre stacionárne úložiská energie. A hoci síra ponúka vysokú kapacitu, je potrebné optimalizovať štruktúru batérií, aby sa maximalizovala energetická hustota. Navyše, výroba pokročilých materiálov, ako je dusíkom dopovaný uhlík a pevné elektrolyty, môže byť nákladná.
Pokroky v technológii lítium-sírových batérií predstavujú významný krok vpred v oblasti energetického skladovania. Hoci je ešte potrebné vyriešiť niektoré technické a ekonomické výzvy, výsledky výskumu naznačujú, že lítium-sírové batérie by mohli čoskoro konkurovať lítium-iónovým batériám a dokonca ich prekonať v kľúčových oblastiach, ako je životnosť, rýchlosť nabíjania a energetická hustota. Ak sa tieto technológie podarí komercializovať, mohli by priniesť revolúciu v mnohých odvetviach, od elektromobility až po obnoviteľné zdroje energie.