קתודות על בסיס סיליקון מייצבות תאי Li-S. השפעה: יותר מ-2 מחזורי טעינה במקום כמה עשרות

מדענים ממכון Daegu למדע וטכנולוגיה (DGIST, דרום קוריאה) פיתחו קתודה מבוססת סיליקון שצפויה לעמוד ביותר מ-2 מחזורי טעינה בתאי Li-S. תאי ליתיום-יון קלאסיים משתמשים בסיליקון טהור באנודות כדי להשלים ולהחליף בהדרגה את הגרפיט. תחמוצת סיליקון שימשה כאן, וסיליקון דו חמצני שימש בקתודה.

תא Li-S = אנודת ליתיום, קתודה של סיליקון דו חמצני עם גופרית

תאי Li-S נחשבים למעניינים בגלל צפיפות האנרגיה הגבוהה שלהם, משקלם ועלות הייצור הנמוכה שלהם. עם זאת, אף אחד עדיין לא הצליח ליצור גרסה שתעמוד ביותר מכמה עשרות מחזורי טעינה. הכל בשל ליתיום פוליסולפידים (LiPS), אשר מתמוססים באלקטרוליט במהלך הפריקה ומגיבים עם האנודה, מפחיתים את הקיבולת שלה וכתוצאה מכך הורסים את הסוללה.

ייתכן שחוקרים דרום קוריאנים מצאו פתרון לבעיה. במקום חומרים מבוססי פחמן (כגון גרפיט), הם השתמשו בקתודה. מבנה למלרי של סיליקה מזופורית (POMS).

המבנה הלמלרי מובן, בעוד מזופורוזיות מתייחסת להצטברות של נקבוביות (חללים) בסיליקה בעלות גודל מטרה, צפיפות שטח ופיזור בגודל קטן (מקור). זה קצת כמו לחטט בצלחות סמוכות של סוג של סיליקט על בסיס קבוע כדי ליצור מסננת.

מדעני DGIST השתמשו בחורים הללו כדי להפקיד בהם גופרית (איור א). במהלך הפריקה, הגופרית מתמוססת ויוצרת ליתיום פוליסולפידים (LiPS) עם ליתיום. לפיכך, המטען זורם, אך ה-LiPS נשאר לכוד ליד הקתודה בשל גורם הפחמן הלא מוגדר הנוסף (מבנה שחור, איור ב).

במהלך הטעינה, LiPS משחרר ליתיום, המוחזר לאנודת הליתיום. מצד שני, הגופרית הופכת לסיליקה. ללא דליפת LiPS לאנודה, ללא נזק מתכת.

סוללת ה-Li-S שנוצרה בצורה זו שומרת על קיבולת ויציבות גבוהים ליותר מ-2 מחזורי עבודה. לפחות 500-700 מחזורי פעולה נחשבים לסטנדרטים עבור תאי Li-ion קלאסיים, אם כי יש להוסיף שתאי ליתיום-יון מעובדים היטב יכולים לעמוד בכמה אלפי מחזורים.