Ερευνητές του Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) κατέγραψαν για πρώτη φορά σε πραγματικό χρόνο την κίνηση του υγρού ηλεκτρολύτη μέσα σε λειτουργικές μπαταρίες λιθίου-θείου (Li-S) τύπου pouch, χρησιμοποιώντας την τεχνική της νετρονικής τομογραφίας.
Η ανακάλυψη ρίχνει φως στους λόγους για τους οποίους αυτές οι μπαταρίες υψηλής ενεργειακής πυκνότητας υποβαθμίζονται και αστοχούν σχετικά γρήγορα.
Οι μπαταρίες Li-S προσφέρουν θεωρητικά υπερδιπλάσια ενεργειακή πυκνότητα από τις σημερινές ιόντων λιθίου, με δυνατότητα να ξεπεράσουν τα 700 Wh/kg. Είναι ελκυστικές για εφαρμογές στην αεροναυπηγική, τη ρομποτική και τα ηλεκτρικά οχήματα μεγάλων αποστάσεων, ενώ το θείο είναι φθηνό και άφθονο, αντικαθιστώντας μέταλλα όπως το κοβάλτιο και το νικέλιο.
Το βάρος έναντι της απόδοσης
Η αύξηση της ενεργειακής πυκνότητας προϋποθέτει τη μείωση «ανενεργών» υλικών, όπως ο ηλεκτρολύτης. Ωστόσο, η λιγότερη ποσότητα καθιστά δυσκολότερη την πλήρη διαβροχή των ηλεκτροδίων, επηρεάζοντας τις ηλεκτροχημικές αντιδράσεις και επιταχύνοντας τη φθορά.
Για να παρακολουθήσουν αυτή τη διαδικασία, οι επιστήμονες του HZB σχεδίασαν πολυστρωματικές κυψέλες με περιορισμένο ηλεκτρολύτη, βασισμένες σε βιομηχανικά πρότυπα, και τις υπέβαλαν σε κύκλους φόρτισης/εκφόρτισης, καταγράφοντας την εσωτερική τους λειτουργία με νετρονική τομογραφία στο Institut Laue-Langevin της Γκρενόμπλ.
Η εικόνα του ηλεκτρολύτη σε πραγματικό χρόνο
Η νετρονική απεικόνιση, ευαίσθητη σε ελαφρά στοιχεία όπως το λίθιο και το υδρογόνο, αποκάλυψε πώς η κατανομή του ηλεκτρολύτη αλλάζει κατά τη λειτουργία. Οι ερευνητές παρατήρησαν περιοχές χωρίς διαβροχή κατά τη φάση αναμονής, ενώ οι κύκλοι φόρτισης/εκφόρτισης βελτίωναν την ομοιογένεια και ενεργοποιούσαν το θείο, αυξάνοντας τη χωρητικότητα.
Εντοπίστηκε επίσης ένα περιοδικό μοτίβο «εισπνοής» και «εκπνοής» του ηλεκτρολύτη, που συνδέεται με τη διάλυση και καθίζηση ενώσεων θείου κατά τη λειτουργία — ένα φαινόμενο που διαφέρει σημαντικά από τις κλασικές μπαταρίες ιόντων λιθίου.
Σύμφωνα με την επικεφαλής της μελέτης, καθηγήτρια Yan Lu, τα ευρήματα αποτελούν «σημαντική συμβολή» στην κατανόηση των μηχανισμών που οδηγούν στη γρήγορη γήρανση των Li-S συστημάτων και μπορούν να βοηθήσουν στη σχεδίαση πιο συμπαγών, αποδοτικών και μακροβίων μπαταριών.
Η μέθοδος, μη καταστροφική και σε πραγματικό χρόνο, προσφέρει στους κατασκευαστές ένα πολύτιμο εργαλείο για τη βελτιστοποίηση αυτής της υποσχόμενης τεχνολογίας αποθήκευσης ενέργειας.
