UMO-2016/23/D/ST4/01539

Celem projektu jest zbadanie wpływu dodatku porowatego węgla do katody siarkowej w ogniwie litowo-siarkowym.

Ogniwa litowo-jonowe od czasu ich pierwszej komercjalizacji ponad 20 lat temu zdominowały rynek chemicznych źródeł prądu dla przenośnych urządzeń elektronicznych. Jednakże ograniczona gęstość energii i pojemność teoretyczna baterii Li-ion oraz rosnące zapotrzebowanie i wymagania rynku sprzyjają poszukiwaniu innych rozwiązań.

Metaliczny lit posiadający spośród metali najmniejszą gęstość i najwyższą pojemność teoretyczną (3861 mAh g-1) jest uważany za najlepszą anodę dla akumulatora. Elementarna siarka z pojemnością teoretyczną 1673 mAh g-1wydaje się korzystną elektrodą przeciwną dla litu. Bateria litowo-siarkowa w takim układzie może posiadać gęstość energetyczną sięgającą 2500 Wh kg-1, prawie pięciokrotnie wyższą od energii standardowego akumulatora Li-ion. Niski koszt, nietoksyczność oraz naturalne występowanie siarki w środowisku również sprzyja zainteresowaniu środowiska naukowego ogniwami Li-S. Mimo postępujących prac, komercjalizacja baterii Li-S ciągle napotyka poważne problemy, do których zaliczyć należy: małą wydajność ładowania, słabą stabilność cykliczną i dużą wartość samorozładowania. Wady baterii Li-S wynikają z kilku powodów. Siarka wykazuje słabe przewodnictwo elektryczne, a więc komponując katodę należy zaplanować sporą ilość dodatku przewodzącego, co z kolei obniża zawartość samej siarki i zmniejsza gęstość energetyczną ogniwa. Drugim poważnym problemem jest rozpuszczalność tworzących się w czasie reakcji elektrodowej polisiarczków litu w organicznych elektrolitach i ich migrację w kierunku anody, gdzie następuje dalsza reakcja z litem prowadząca do powstania nierozpuszczalnych i nieprzewodzących Li2S2 i Li2S. Powyższe polisiarczki odkładając się na anodzie powodują jej korozję oraz polaryzację, a tym samym zmniejszają ilość masy czynnej katody. Jednocześnie redukcja siarki i powstawanie polisiarczków litu w procesie elektrodowym jest kluczową reakcją ogniwa Li-S. Wyzwaniem jest więc odpowiednie skomponowanie katody zapewniając przewodnictwo jonowe oraz enkapsulację powstających polisiarczków w porach węgla i ich pozostawanie w przestrzeni katodowej.

Jednym z zadań pracy będzie nowatorskie podejście do badań elektrochemicznych i próba skonstruowania szklanego, szczelnego naczynia elektrodowego w kształcie prostopadłościanu. Przezroczyste ściany naczynia umożliwią prowadzenie obserwacji zachodzących przemian i badania in-situ tworzących się polisiarczków litu. Liczymy na uzyskanie cennych informacji na temat przebiegu i kinetyki reakcji elektrodowych zachodzących w ogniwach litowo-siarkowych oraz ocenę wpływu porowatego węgla dodanego do katody siarkowej na zjawisko migracji polisiarczków litu.

Efektem podjętych badań będzie zdobycie nowej wiedzy na temat przebiegu reakcji elektrodowych w ogniwach litowo-siarkowych oraz wpływu porowatego węgla na pojemność odwracalną i stabilność cykliczną ogniwa Li-S. Zainteresowanie środowiska naukowego ogniwami litowo-siarkowymi stale rośnie i jest duża szansa, że ogniwa te zdominują w niedalekiej przyszłości rynek chemicznych źródeł prądu.