IDTechEx: Bateriile cu litiu-sulf urmează să devină o industrie de miliarde

Bateriile cu litiu-sulf sunt baterii cu anozi metalici de litiu și catozi cu sulf. Acestea prezintă o densitate mare de energie gravimetrică, deși densitatea lor volumetrică de energie este limitată din cauza cantității mari de sulf necesară pentru catod. Litiu-sulful a fost, de asemenea, remarcat pentru potențiale reduceri de costuri datorită abundenței de sulf, precum și siguranță sporită datorită nereactivității sulfului. Litiu-sulful este deja în curs de dezvoltare pe mai multe continente și este de așteptat să atingă producția de masă până în 2033.

Litiul-sulful a cunoscut eforturi de dezvoltare în trecut. Cu toate acestea, chimia a fost limitată ca urmare a unei metode de degradare intrinsecă: naveta polisulfurică.

Polisulfuri de forma Li2Sx _{sunt produse în catod și sunt} transferate în electrolit, îndepărtând efectiv materialele active. Aceste polisulfuri pot ajunge, de asemenea, la anod și pot începe un ciclu al propriilor reacții redox, ceea ce reduce potențialul redox efectiv al celulei. Polisulfurile pot forma, de asemenea, un strat insolubil de Li2S _la anod, prevenind transportul ionilor. Efectul general al navetei cu polisulfură este de a reduce semnificativ eficiența coulombică a celulei, impactând grav durata de viață a bateriei.

Formarea dendritei metalice de litiu este, de asemenea, o problemă, deși tinde să fie mai puțin semnificativă decât naveta cu polisulfură. Dendritele de litiu se formează la anod și se scurg în electrolit, reacționând ireversibil astfel încât materialul activ al celulei este redus. În plus, în timpul încărcării și descărcării, catodul de sulf experimentează o umflare semnificativă – până la 80% în timpul descărcării. Acest lucru pune o presiune considerabilă asupra arhitecturii catodului și poate reduce conductivitatea de contact a celulei în ansamblu prin formarea și nuclearea fisurilor.

Naveta cu polisulfură poate fi contracarată în mai multe moduri. Cea mai evidentă abordare poate fi folosirea unui electrolit solid, deoarece aceasta împiedică transferul polisulfurilor. Cu toate acestea, acest lucru poate duce la o conductivitate redusă semnificativ la interfața dintre electrolit și catod, deoarece sulful este deja un conductor slab. Electroliții lichizi alternativi sunt o opțiune mai convingătoare. Polisulfurile sunt solubile în electroliții lichizi utilizați în grafit-anod litiu-ion. Cu toate acestea, există și alte soluții în care polisulfurile nu sunt solubile, eteri ciclici, eteri cu lanț scurt și eteri glicol.

Alternativ, un strat/membrană separator poate fi utilizat pentru a preveni transferul polisulfurei. Membrana aleasă trebuie să fie selectivă, permițând trecerea ionilor de litiu, dar nu și polisulfurilor.

Expansiunea catodică poate fi rezolvată folosind structuri catodice alternative, de exemplu, rețele tolerante la expansiune sau lianți mai puternici. Materialele alternative pot permite dezvoltarea structurilor dintr-un singur material fără lianți, ceea ce sporește semnificativ rigiditatea colectorului de curent. Un exemplu este poliacrilonitrilul sulfurat sau SPAN.

Energia specifică mai mare a sulfului de litiu, dar densitatea energetică mai mică, îl fac deosebit de potrivit pentru aplicații în aviație, apărare și maritime, în special vehicule aeriene fără pilot (UAV) sau drone. Cu toate acestea, chimia este de așteptat să înregistreze și o anumită implementare în vehiculele electrice, în special în vehiculele electrice grele. IDTechEx prezice că până în 2035 vor fi produse peste 14 GWh la nivel global.