Akumulator litowo-siarkowy

Akumulator litowo-siarkowy (Li-S) – ładowalne ogniwo galwaniczne, w którym anoda wykonana jest z litu, a katoda zawiera siarkę i wielosiarczki litu. Charakteryzuje się bardzo dużą pojemnością. Dzięki niskiej gęstości litu oraz umiarkowanej gęstości siarki, akumulatory Li-S są względnie lekkie; ich gęstość wynosi ok. 1 g/cm³. Akumulatory Li-S mają znacznie większą pojemność niż akumulatory litowo-jonowe, a ich koszt produkcji jest niższy ze względu na wykorzystanie taniej siarki. Niekorzystną cechą jest ich szybko spadająca pojemność podczas kolejnych cykli ładowania/rozładowywania.

Akumulatory Li-S zostały wykorzystane w najdłuższym i najwyższym locie samolotu zasilanym bateriami słonecznymi w sierpniu 2008 roku.

Chemia

Rozładowanie ogniwa Li-S sumarycznie opisać można jako reakcję:

16Li + S₈ → 8Li₂S

Na anodzie zachodzi utlenianie litu:

Li → Li⁺ + e⁻

Na katodzie następuje redukcja siarki do wielosiarczków i dalej do siarczku litu:

S₈ → Li₂S₈ → Li₂S₆ → Li₂S₄ → Li₂S₃ → Li₂S₂ → Li₂S

Podczas ładowania ma miejsce proces odwrotny – wydzielanie litu na anodzie i utlenianie siarczku i wielosiarczków na katodzie. Wykorzystanie metalicznego litu pozwala na osiągnięcie większego upakowania tego pierwiastka w porównaniu do konwencjonalnych ogniw litowo-jonowych, w których wykorzystywane są związki litu.

W większości akumulatorów budowanych w celach eksperymentalnych katody są wykonywane z węgla i siarki, a anody z litu. Powszechność występowania i niska cena siarki jest jej główną zaletą przy masowej produkcji, ale jej wadą jest mała przewodność elektryczna właściwa, 5×10⁻³⁰ S cm⁻¹ w 25 °C. Powłoka węglowa na siarce zapewnia zwiększoną przewodność elektryczną w porównaniu do samej siarki. Rozwiązaniem tego problemu są węglowe nanorurki. Materiały węglowe zapewniają dużo skuteczniejszą ścieżkę przewodzenia elektronów oraz integralność strukturalną. Minusem stosowania nanorurek węglowych jest wysoki koszt ich wytwarzania.

Zużycie

Jednym z najbardziej podstawowych problemów większości ogniw litowo-siarkowych jest pośrednia reakcja z elektrolitami. Podczas gdy S i Li₂S są względnie nierozpuszczalne w większości elektrolitów, wiele wielosiarczków rozpuszcza się. Rozpuszczanie LiS_n w elektrolitach powoduje nieodwracalną utratę aktywnego materiału.

Bezpieczeństwo

Z uwagi na wysoką pojemność energetyczną i nieliniową krzywą rozładowywania i ładowania ogniwa, czasem przy tych akumulatorach używa się mikrokontrolera oraz różnych obwodów bezpieczeństwa (np. regulator napięcia wyjściowego), aby kontrolować stan ogniwa oraz zapobiec jego gwałtownemu rozładowaniu się.

Rozwój technologii Li-S

Na Uniwersytecie w Waterloo zbudowano ogniwo Li-S o pojemności wynoszącej 84% pojemności teoretycznej oraz wykazujące zminimalizowany efekt utraty pojemności podczas cyklu ładowania, co potencjalnie przekłada się na 4-krotnie większą pojemność w porównaniu do akumulatorów litowo-jonowych. Dokonano tego przez użycie drobnoporowej katody węglowej. Siarka i węgiel zostały zmielone i podgrzane, co zmniejszyło napięcie powierzchniowe siarki, umożliwiając jej przedostanie się do porów i pozostawiając wystarczająco dużo miejsca na jej rozszerzanie się podczas pracy ogniwa. Układ ten został następnie podgrzany aby usunąć resztę siarki z powierzchni. Powierzchnia katody została powleczona poli(tlenkiem etylenu), który odpycha hydrofobowe wielosiarczki, co ogranicza ich straty przez rozpuszczanie w elektrolicie. W testach, w których jako rozpuszczalnika użyto 1,2-dimetoksyetanu o szczególnie dużej zdolności do rozpuszczania wielosiarczków, tradycyjna katoda Li-S utraciła 96% siarki przez 30 cykli ładowania, podczas gdy nowa katoda tylko 25%.