Nanokomposiittielektrokatalyytit voivat uudistaa litium-sulfuriparistot 5 minuutin latausajoilla

Litiumioni-paristoista litium-sulfuriparistoihin

Litiumioni-paristot ovat tähän mennessä hallinneet paristomarkkinaa. Tämä johtuu sekä korkeasta energiatehosta että varhaisesta aloituksesta, koska niitä on laajasti käytetty ja tuotettu kulutuselektroniikan markkinoilla.

Kun niitä sovelletaan muihin käyttötarkoituksiin, litiumioni-paristojen kapasiteetin rajoitukset alkoivat tulla esiin. Esimerkiksi litiumioni-paristot latautuvat suhteellisen hitaasti, ja vaikka pikavalmistus on mahdollista, se yleensä vahingoittaa pariston käyttöikää.

Hidas lataus on ollut jatkuva ongelma sähköautojen omistajille, ja sitä usein mainitaan syynä, miksi ihmiset kieltäytyvät ottamasta sähköautoja käyttöön.

Koska sähköautot ovat nyt suurin paristoja käyttävä sektori tehon kapasiteetin osalta, nopeammin latautuva uusi paristokemia voisi nopeasti tulla suosituksi ja kilpailla litiumioni-mallien kanssa.

Yksi tällainen lupaava uusi kemia on litium-sulfuriparistot. Aikaisemmat mallit latautuivat vielä hitaammin kuin litiumioni, mutta uudet nanomateriaalit voisivat saada litium-sulfuriparistolla varustetun sähköauton latautumaan vain viidessä minuutissa.

Litium-sulfurin edut ja haasteet

Uusi litium-sulfuriparistoteknologia löydettiin kiinalaisista ja australialaisista yliopistoista ja tutkimuslaitoksista (Adelaide, Tianjin, ANSTO ja Tsinghua) ja julkaistiin Nature Nanotechnology -lehdessä otsikolla “Developing high-power Li||S batteries via transition metal/carbon nanocomposite electrocatalyst engineering”.

Litium-sulfuriparistot ovat pitkään tunnettuja tarjoavan uskomattoman energiatehon, yli kaksinkertaisen energian perinteisiin litiumioni-paristoihin verrattuna, kun mittaa Wh/kg (spesifinen energia), ja parempaa suorituskykyä Wh/L (spesifinen kapasiteetti) -mittauksessa.

Lähde: Vertex Holdings

Keskeiset ongelmat, jotka ovat estäneet litium-sulfuriparistojen prototyyppien laajan käyttöönoton tähän mennessä, ovat lyhyt käyttöikä (1/3 litiumioniin verrattuna) ja erittäin hidas latausnopeus, joka vaatii 1–10 tuntia täyteen lataukseen.

Tämä on selvästi hyväksymätöntä sähköautoille, kun käyttäjät ovat jo valittaneet litiumionin 20–30 minuutin latausajoista.

(Käsittelimme monia litiumioniin vaihtoehtoisia kemioita viitteartikkeleissamme “The Future of Mobility – Battery Tech”).

Litium-sulfurin rajoitukset ovat äkillisesti muuttuneet kiitos äskettäin Nature-lehdessä julkaistun löydön, jossa uusi litium-sulfurisuunnitelma lupaa hämmästyttäviä suorituskykyjä:

• Elinikä vähintään 1 000 sykliä, samankaltainen kuin litiumioni.
• Spesifinen energia 1 306 Wh/kg, 10 kertaista enemmän kuin litiumioni, ja jopa parempi kuin useimpien kiinteän tilan paristojen suunnitelmat.
• Lataus-/purkusykli alle 5 minuuttia.

Litium-sulfuriparistojen rakentaminen nanoskaalassa

Joten, miten tutkijat onnistuivat rakentamaan näköisen täydellisen pariston?

Ensinnäkin he tutkivat atomitasolla/kvanttitasolla rikki-reduktion reaktiota (SRR), joka on avainosa lataus-/purkunopeuden hallinnassa. Tämän saavuttamiseksi he käyttivät hiukkaskiihdytintä (Australian Synchrotron, ANSTO) määrittääkseen tarkat atomiorbitaalien täyttötilat (elektronien sijainti rikkiatomin ympärillä) metallipohjaisissa katalyytissä.

Saadessaan nämä koskaan ennen analysoimattomat tiedot, he pystyivät tarkasti ennustamaan rikki-reduktion reaktion (SRR) nopeuden ja prosessin.

Tämän ennustemallin avulla he suunnittelivat nanokomposiittielektrokatalyyttejä, jotka koostuvat hiilestä ja useista eri metallialliaseista, kuten rauta, koboltti, nikkeli, kupari ja sinkki.

Lopulta valittiin koboltti-sinkki -alloy, jonka yllä mainitut merkittävät suorituskyvyt toteutuivat.

Mitä seuraavaksi?

Tällaisen “superpariston” kehittäminen voisi olla käännekohta energiajärjestöjemme sähköistymisessä, kuljetuksista uusiutuvien energialähteiden massakäyttöönottoon, mikä vaatii tehokkaita verkostomittaisia paristoja.

Se on kuitenkin vielä varhaisessa vaiheessa, ja muutama kysymys on vastattava ennen kuin litium-sulfuriparistot valloittavat markkinat.

Harvinaiset materiaalit

Litiumioni-paristojen ja sähköautovalmistajien on pyritty jo vuosia siirtymään pois kobolttia käyttävistä suunnitelmista. Tämä johtuu siitä, että koboltti on harvinainen mineraali, ja sen pääasiallinen lähde on Kongossa, missä koboltin tuotanto on yhdistetty lapsi- ja orjatyöhön sekä yleisiin ihmisoikeusloukkauksiin.

Siksi elektrokatalyytissä käytetty koboltti-sinkki -nanoklusteri joutuu myös kohtaamaan tämän ongelman.

Kustannukset

Korkeat materiaalikustannukset ovat toinen syy, miksi ala siirtyy pois koboltipohjaisista suunnitelmista kohti kiinteän tilan, litium-rautafosfaatti (LFP) tai natriumioni-paristoja.

Tämä voi siis olla ongelma koboltipohjaisille litium-sulfuriparistoille. Vaikka ne olisivatkin paljon tehokkaampia ja energiatehokkaampia kuin litiumioni.

Samaan aikaan äärimmäisen korkea spesifinen energia tarkoittaa, että vähemmän paristoja tarvitaan saman sähköauton toimintasäteen saavuttamiseksi.

Tämä puolestaan vähentää merkittävästi sähköauton painoa, sillä paristot muodostavat nykyisin yli 25 % ajoneuvon painosta. Alhaisempi paino lisää toimintasädettä entisestään.

Todelliset määräävät tekijät ovat litium-sulfuriparistojen hinta per Wh sekä se, kuinka paljon akkupaketin painoa voidaan vielä keventää.

Massatuotanto

Viimeinen vuosikymmen on nähnyt runsaasti innovatiivisia materiaaleja ja suunnitelmia paristoteknologiassa. Mutta laboratoriossa valmistetun kolikkopariston muuttaminen akkupaketiksi ja sen jälkeen tehdasmittakaavan prosessin luominen niiden valmistamiseksi ei ole yksinkertaista.

Esimerkiksi kiinteän tilan paristojen kaupallistamispäivämäärä on toistuvasti siirretty vuosi vuodelta QuantumScape:n, Volkswagenin, Toyotan, CATL:n, LG:n ym. toimesta (QS )

Tämä ei johdu siitä, että teknologia ei toimisi, vaan siitä, että kiinteän tilan paristojen massatuotanto suuressa mittakaavassa, ilman laatuongelmia ja alhaisilla kustannuksilla, on osoittautunut erittäin haastavaksi.

Joten litium-sulfuriprototyypin muuttaminen kaupalliseksi paristoksi vaatii todennäköisesti vielä monia vaiheita.

Yhteenveto

Paristot ovat olleet sähköautojen heikko lenkki alusta lähtien, mutta ne ratkeavat hitaasti valtavien tutkimusponnistusten ansiosta yliopistoissa ympäri maailmaa sekä teollisuuden johtajien, kuten CATL:n, Telsan, LG:n ym., toimesta.

On epäselvää, mikä suunnitelma tai kemia lopulta valloittaa. Vahvin ehdokas vaikuttaa olevan kiinteän tilan paristot, ja litium-sulfuriparistot saattavat olla seuraava sukupolvi, joka tulee kiinteän tilan kaupallistamisen jälkeen.

LFP- ja natriumioni-paristot voivat myös olla läsnä sovelluksissa ja tuotteissa, jotka keskittyvät alhaisiin kustannuksiin eikä korkeaan suorituskykyyn.

Ja tietysti, ehkä vieläkin eksoottisempia suunnitelmia verkostomittaisiin akkuun, joilla on hyvin erilaiset vaatimukset verrattuna sähköautoihin, kuten rauta-ilma, redoks, painovoima tai betoniakut, joista keskustelimme artikkeleissamme \”The Future Of Energy Storage – Utility-Scale Batteries Tech” ja “Non-Chemical Alternatives To Batteries For The Energy Transition\”.

Joka tapauksessa energiajärjestelmien tulevaisuus suuntautuu kohti massasähköistämistä. Ja paristoteknologia kehittyy erittäin nopeasti, mikä todennäköisesti poistaa viimeisen esteen sähköautojen ja uusiutuvien energialähteiden massakäyttöönotolle.