Lítiovo-iónové batérie, ktoré dnes poháňajú elektromobily, smartfóny aj počítače, narážajú na fyzikálne hranice svojej kapacity. Vedci roky hľadajú nástupcu a lítiovo-sírová batéria patrí k najsľubnejším kandidátom.

Síra je lacná, je jej veľa a teoreticky dokáže uskladniť päťkrát viac energie než lítiovo-iónová chémia. Jeden zásadný problém ju však desaťročia držal v laboratóriách: polysulfidový kyvadlový efekt.

Čo je polysulfidový kyvadlový efekt?

Pri nabíjaní a vybíjaní lítiovo-sírovej batérie vznikajú v elektrolyte rozpustné lítiové polysulfidy. Tieto látky nie sú stabilné – presúvajú sa medzi elektródami batérie tam a späť ako kyvadlo, reagujú s lítiovou anódou, spôsobujú vedľajšie reakcie a postupne ničia batériu.

Výsledkom je rýchly pokles kapacity po niekoľkých desiatkach nabíjacích cyklov. To je oveľa rýchlejšie než u bežných lítiovo-iónových článkov.

Doterajšie riešenia sa sústreďovali na fyzické bariéry, ako napríklad porézne vrstvy, ktoré sa pokúšali polysulfidy mechanicky zachytiť. Tento prístup fungoval len čiastočne, pretože polysulfidy sa nakoniec vždy dostali cez bariéru ďalej.

Chemická absorpcia namiesto blokovania

Tím pod vedením Saikata Dasa a Yuichiho Negishiho z Tóhokuskej univerzity zvolil odlišnú stratégiu. Namiesto fyzického blokovania polysulfidov navrhli vrstvu, ktorá ich chemicky zachytáva a zároveň ich núti pokračovať v elektrochemických reakciách.

Výsledkom je materiál s označením TUS-44, čo je kovalentný organický rámec (COF) kombinovaný s grafénom.

Kovalentné organické rámce sú porézne kryštalické látky s presne definovanou molekulárnou štruktúrou a chemicky aktívnymi miestami. Materiál TUS-44 obsahuje tri typy takýchto miest a každé z nich interaguje s polysulfidmi iným spôsobom a spoločne ich účinne viažu.

Grafén tvorí vodivú sieť, ktorá uľahčuje prenos elektrónov a urýchľuje premenu sírových zlúčenín počas nabíjania a vybíjania.

„Naším cieľom bolo navrhnúť medzivrstvu, ktorá polysulfidy nielen blokuje, ale aktívne riadi ich reakčnú cestu,“ uviedol Das. „Vytvorili sme kooperatívne rozhranie, ktoré dokáže polysulfidy zachytiť, prerozdeliť a efektívnejšie premeniť.“

Mohlo by vás zaujímať

Iné športy

14. marca 2022

Vodík: Budúcnosť áut?

Výsledky v číslach

Batérie s medzivrstvou TUS-44 dosiahli v laboratórnych testoch počiatočnú kapacitu 1 455,7 mAh/g – výrazne viac než bežné lítiovo-iónové články, ktorých kapacita sa pohybuje okolo 150 až 250 mAh/g. Pri vysokom nabíjacom prúde 10 A/g si batéria udržala kapacitu 773 mAh/g.

Najpresvedčivejší je však údaj o životnosti: po tisíc nabíjacích cykloch klesla kapacita len o 0,034 % za jeden cyklus. To je hodnota porovnateľná s najlepšími lítiovo-iónovými batériami na trhu. Toto číslo je zároveň rekordným výsledkom pre lítiovo-sírové batérie vo výskumnej literatúre.

Vedci zostrojili aj prototyp v podobe vreckovej batérie, ktorá dosiahla počiatočnú energetickú hustotu 674 Wh/kg. Pre porovnanie: najlepšie komerčné lítiovo-iónové batérie dosahujú okolo 250 až 300 Wh/kg.

Mohlo by vás zaujímať

Technológie

5. júla 2026

Táto odsoľovacia technológia môže priniesť vodu, ktorá je lacnejšia ako balená voda

Cesta ku komerčnému použitiu

Japonská štúdia z roku 2026 je dôležitý krok, ale komerčné nasadenie si vyžiada ďalšie overenie. Výroba COF materiálov vo veľkom meradle zostáva technologickou výzvou a dlhodobá stabilita pri skutočných prevádzkových podmienkach potrebuje ďalší výskum. Otázkou sú totiž teplotné výkyvy, rôzne rýchlosti nabíjania, mechanické namáhanie atď.

Napriek tomu je správa jasná: jeden z najväčších problémov lítiovo-sírových batérií má riešenie. A ak sa podarí preniesť výsledky z laboratória do výroby, môže to zásadne zmeniť trh s batériami – od elektromobilov po skladovanie obnoviteľnej energie.

Text: Zázračná planéta

Foto: Shutterstock