Akumulatory litowo-siarkowe w rozmiarze kieszonkowym badane w BESSY II

Zespół z HZB i Instytutu Fraunhofera ds. Technologii Materiałowych i Wiązkowych (IWS) w Dreźnie uzyskał nowe informacje na temat ogniw litowo-siarkowych na linii BAM w BESSY II. Uzupełniając analizę przeprowadzoną w laboratorium obrazowania HZB oraz inne pomiary, wyłania się nowy i bardziej wnikliwy obraz procesów, które ograniczają wydajność i żywotność tego istotnego w przemyśle typu akumulatora. Wyniki badań opublikowano w renomowanym czasopiśmie „Advanced Energy Materials”.

Akumulatory litowo-siarkowe mają szereg zalet w porównaniu z konwencjonalnymi akumulatorami litowymi: wykorzystują siarkę jako powszechnie dostępny surowiec, nie wymagają tak ważnych pierwiastków jak kobalt lub nikiel i mogą osiągać wyjątkowo wysoką gęstość energii właściwej. Dzisiejsze prototypy ogniw osiągają już do 500 Wh/kg, czyli prawie dwa razy więcej niż obecne baterie litowo-jonowe.

Jednak akumulatory litowo-siarkowe są obecnie znacznie bardziej podatne na procesy degradacji: podczas ładowania i rozładowywania na elektrodzie litowej tworzą się rozpuszczone polisulfidy i fazy siarkowe, które coraz bardziej zmniejszają wydajność i żywotność akumulatora. „Chcemy wyjaśnić te procesy poprzez nasze badania, mając na celu konkretnie udoskonalenie tego typu baterii” – mówi fizyk HZB, dr. Sebastian Risse, który kieruje zespołem w HZB zajmującym się analizą działania baterii.

Zajmuje się tzw. ogniwami kieszeniowymi, czyli formatem baterii powszechnie stosowanym w przemyśle. W Instytucie HZB „Electrochemical Energy Storage (CE-IEES)”, którym kieruje prof. Yan Lu, powstało laboratorium specjalizujące się w produkcji baterii litowo-siarkowych w tym „kieszonkowym formacie”. Można tu produkować i testować szeroką gamę kieszonkowych baterii litowo-siarkowych. W ramach projektu BMBF „SkaLiS”, koordynowanego przez Risse, zespół Risse’a wraz z grupą z Instytutu Fraunhofera ds. Materiałów i Technologii Wiązek (IWS) w Dreźnie opublikował teraz kompleksowe badanie dotyczące ogniw litowo-siarkowych w czasopiśmie Advanced Energy Materials .

W tym celu ogniwa akumulatorowe badano w układzie opracowanym w HZB, stosując różne metody, takie jak spektroskopia impedancyjna, rozkład temperatur, pomiar siły i obrazowanie rentgenowskie (źródło synchrotronowe i laboratoryjne) podczas ładowania lub rozładowywania. „Po raz pierwszy udało nam się zaobserwować i udokumentować zarówno powstawanie dendrytów litu, jak i rozpuszczanie lub powstawanie kryształów siarki podczas działania baterii wielowarstwowej” – mówi dr. Rafael Müller, chemik HZB i główny autor badania.

„ W szczególności radiografia z kontrastem fazowym z wykorzystaniem spójnego światła synchrotronowego na linii wiązki BAM w BESSY II pozwoliła nam śledzić morfologię słabo absorbującego metalu litu. Udało nam się powiązać te spostrzeżenia z innymi danymi pomiarowymi, aby stworzyć kompleksowy obraz”. Wykorzystując analizy rentgenowskie w laboratorium obrazowania HZB we współpracy z grupą dr. Ingo Manke udało się również przeanalizować proces tworzenia się kryształów siarki o dużej absorpcji podczas pracy baterii.

„Nasze wyniki stanowią pomost między badaniami podstawowymi a transferem technologii, a w szczególności umożliwiają wyciąganie wniosków dotyczących skalowalności tej technologii akumulatorowej oraz dalszego rozwoju systemów akumulatorów wysokoenergetycznych ” – mówi Risse. Zespół wykazał m.in., że nowe podejście projektowe IWS Dresden jest obiecujące: perforowany i dzięki temu znacznie lżejszy kolektor prądu katody nie wpływa na wydajność ogniwa.

Wyniki tego badania pomogą zoptymalizować wydajność i żywotność akumulatorów litowo-siarkowych, tak aby ten obiecujący typ akumulatorów mógł sprostać wymaganiom mobilnych i stacjonarnych systemów magazynowania energii.