Ränipõhised katoodid stabiliseerivad Li-S rakke. Mõju: rohkem kui 2 laadimistsüklit mitmekümne asemel

Daegu teaduse ja tehnoloogia instituudi (DGIST, Lõuna-Korea) teadlased on välja töötanud ränipõhise katoodi, mis peaks Li-S rakkudes vastu pidama rohkem kui kahele laadimistsüklile. Klassikalised liitiumioonelemendid kasutavad grafiidi täiendamiseks ja järk-järgult asendamiseks anoodides puhast räni. Siin kasutati ränioksiidi ja katoodis ränidioksiidi.

Li-S element = liitiumianood, ränidioksiidi katood väävliga

Li-S rakke peetakse huvitavaks nende suure energiatiheduse, kaalu ja madalate tootmiskulude tõttu. Sellist versiooni, mis taluks üle paarikümne laadimistsükli, pole aga siiani keegi suutnud luua. Kõik tänu liitiumpolüsulfiididele (LiPS), mis lahustuvad tühjenemise ajal elektrolüüdis ja reageerivad anoodiga, vähendades selle mahtuvust ja selle tulemusena hävitades aku.

Võimalik, et Lõuna-Korea teadlased on leidnud probleemile lahenduse. Süsinikupõhiste materjalide (nt grafiit) asemel kasutati neid katoodis. mesopoorse ränidioksiidi (POMS) lamellstruktuur.

Lamellstruktuuri mõistetakse, samas kui mesopoorsus tähendab pooride (õõnsuste) kuhjumist ränidioksiidis, millel on planeeritud suurus, pinnatihedus ja väike dispersioon (allikas). See on natuke nagu see, kui torkate regulaarselt mingist silikaadist plaate üksteise kõrvale sõela tegemiseks.

DGIST-i teadlased kasutasid neid auke neisse väävli ladestamiseks (joonis a). Tühjenemise ajal väävel lahustub ja moodustab liitiumiga liitiumpolüsulfiide (LiPS). Seega laeng voolab, kuid LiPS jääb katoodi lähedale lõksu täiendava määramata süsinikuteguri tõttu (must struktuur, joonis b).

Laadimise ajal vabastab LiPS liitiumi, mis tagastatakse liitiumianoodile. Teisest küljest läheb väävel ränidioksiidiks. Ei mingit LiPS-i leket anoodile ega metallikahjustusi.

Sel viisil loodud Li-S aku säilitab suure mahutavuse ja stabiilsuse rohkem kui 2 töötsükli jooksul. Klassikaliste liitiumioonelementide standardiks peetakse vähemalt 500-700 töötsüklit, kuigi tasub lisada, et hästi töödeldud liitiumioonelemendid peavad vastu mitu tuhat tsüklit.