Silikon bazlı katotlar Li-S hücrelerini stabilize eder. Etkisi: Birkaç düzine yerine 2'den fazla şarj döngüsü

Daegu Bilim ve Teknoloji Enstitüsü'nden (DGIST, Güney Kore) bilim adamları, Li-S hücrelerinde 2'den fazla şarj döngüsüne dayanması beklenen silikon bazlı bir katot geliştirdiler. Klasik lityum iyon piller, anotlarda grafiti tamamlayan ve yavaş yavaş yerini alan saf silikon kullanır. Burada silikon oksit kullanıldı, katotta silikon dioksit kullanıldı.

Li-S hücresi = lityum anot, silika sülfür katot

Li-S hücreleri, yüksek enerji yoğunlukları, ağırlıkları ve düşük üretim maliyetleri nedeniyle ilgi çekici kabul ediliyor. Ancak henüz hiç kimse birkaç düzineden fazla şarj döngüsüne dayanabilecek böyle bir versiyon yaratmayı başaramadı. Bunun nedeni, deşarj sırasında elektrolitte çözünen ve anotla reaksiyona girerek kapasitesini azaltan ve sonuç olarak aküye zarar veren lityum polisülfürlerden (LiPS) kaynaklanmaktadır.

Güney Koreli araştırmacıların soruna bir çözüm bulmuş olması mümkün. Katotta karbon bazlı malzemeler (grafit gibi) yerine kullanıldılar. mezogözenekli silikanın katmanlı yapısı (POMS).

Lamel yapı anlaşılırken, mezo gözeneklilik silikadaki planlı bir boyuta, yüzey yoğunluğuna ve küçük boyut dağılımına sahip gözeneklerin (boşlukların) birikmesini ifade eder (kaynak). Bu, bir elek oluşturmak için silikat levhaların düzenli olarak yan yana delinmesine benziyor.

DGIST bilim insanları bu delikleri içlerine kükürt depolamak için kullandılar (Şekil a). Deşarj sırasında kükürt çözülür ve lityum ile lityum polisülfürler (LiPS) oluşur. Böylece yük akar ancak ek tanımlanamayan karbon faktörü (siyah yapı, şekil b) nedeniyle LiPS katodun yakınında sıkışıp kalır.

Şarj sırasında LiPS, lityum anoda geri dönen lityumu serbest bırakır. Öte yandan kükürt silikaya dönüşür. Anotta LiPS sızıntısı yok, metal hasarı yok.

Bu şekilde oluşturulan Li-S batarya, 2'den fazla çalışma döngüsü boyunca yüksek kapasiteyi ve stabiliteyi korur. Klasik Li-iyon hücreler için en az 500-700 çalışma döngüsü standart olarak kabul edilir, ancak iyi işlenmiş lityum-iyon hücrelerin birkaç bin döngüye dayanabileceğini de eklemek gerekir.