Nowy materiał anody w ogniwach li-ion – czarny fosfor domieszkowany siarką
Badaczom z University of Science and Technology of China udało się stworzyć ogniwa z anodą wykonaną z czarnego fostoru domieszkowanego siarką i katodą z tlenku litowo-kobaltowego. Taka konstrukcja, jak się okazało, umożliwiła skorzystanie w procesie ładowania ze zjawiska elektrokatalizy w ogniwach ze stałym elektrolitem – dotychczas z elektrokatalizy można było skorzystać tylko w wypadku połączeń ciecz–ciało stałe i gaz–ciało stałe.
Elektrokataliza to proces, w którym katalizator wpływa na tempo reakcji elektrochemicznej, obniżając barierę energetyczną niezbędną do jej zajścia. Katalizator ułatwia reakcję, ale nie jest w niej zużywany.
Elektrokataliza ma kluczowe znaczenie w technologiach takich jak ogniwa paliwowe i baterie – katalizator zwiększa wydajność reakcji obejmujących transfer elektronów (utlenianie lub redukcja cząsteczek) na elektrodach. Usprawnienie procesu wpływa na współczynnik konwersji i magazynowania energii.
Materiały takie jak krzem i fosfor, są często stosowane w anodach ogniw Li-Ion ze względu na ich wyższą pojemność właściwą w porównaniu do tradycyjnych anod grafitowych. Anody te magazynują jony litu reakcjach stopowych. Jednak powolny ruch jonów litu w tych materiałach wpływa negatywnie na tempo ładowania akumulatorów litowo-jonowych. Do tego produkty takich reakcji znajdują się w fazie stałej, bez kontaktu dwufazowego, który jak już wyżej pisałem, jest niezbędny w tradycyjnej elektrokatalizie.
Naukowcy z University of Science and Technology of China w procesie domieszkowania wykorzystali bor do zastąpienia atomów krzemu i siarkę do zastąpienia fosforu, aby przyspieszyć reakcję litu ze stopami elektrody w stałym elektrolicie.
Zgodnie z przewidywaniami teoretycznymi i danymi ze spektroskopii absorpcji promieniowania rentgenowskiego (XAS), krytyczne stężenie domieszkowanych pierwiastków wynoszące około 5 procent prowadzi do powstawania miejsc o bardzo wysokim tempie reakcji elektrolitu z anodą. W tym wariancie materiał anody rozpada się na mniejsze komórki jednostkowe w wyniku rozszczepienia wiązań w miejscach domieszkowanych, zwiększając liczbę miejsc reaktywnych i poprawiając kinetykę reakcji.
Dzięki użyciu tej metody naukowcom udało się opracować baterię z katodą z tlenku litowo-kobaltowego (LCO) i anodą z czarnego fosforu domieszkowanego siarką (S/bP), którą można ładować do 80% pojemności w 9 minut i która zachowała swoje właściwości i sprawność przez 300 cykli na stałym poziomie. Osiągnięto przy tym gęstość energii na poziomie 302 Wh/kg. Dla porównania, baterie samochodów Tesla mają typową gęstość energii ~255 Wh/kg.
Powstanie superszybkich ogniw li-ion nie tylko odczujemy, sięgając po przedmioty codziennego użytku – tutaj już dziś są metody na poradzenie sobie z ograniczeniami. Zdecydowanie zyskać może na tym jednak branża samochodowa – nawet najlepsze elektryczne pojazdy BEV wciąż ładują wyraźnie wolniej, niż trwa uzupełnienie paliwa w samochodach ICE. Wyższa gęstość energetyczna pozytywnie wpłynie także na zasięg, który zapewne jest najpoważniejszym ograniczeniem.
