Производство на литиево-серни батерии с биомаса от хартиената индустрия

Основен страничен продукт при производството на хартия е лигносулфонатът - сулфониран въглероден отпадъчен материал, който обикновено се изгаря на място, освобождавайки CO2 в атмосферата, след като сярата се улавя за повторна употреба.

Учените от Политехническия институт на Ренселар в Ню Йорк са разработили метод за използване на евтината и изобилна биомаса от хартиеното производство за изграждане на презареждаща се литиево-сярна батерия. Такава батерия би могла да се използва за захранване на големи центрове за данни, както и за по-евтино съхранение на енергия в микромрежи и традиционни електрически мрежи.

“Нашето изследване демонстрира потенциала от използването на странични продукти от производството на хартия за създаване на устойчиви и евтини електродни материали за литиево-серни батерии”, обясняват учените.

Акумулаторните литиево-йонни батерии в момента са доминиращата технология на пазара. През последните години обаче се наблюдава засилен интерес към разработването на литиево-серни батерии, които могат да предоставят над два пъти повече енергия от литиево-йонните им аналози със същото тегло. Както е известно, акумулаторната батерия има два електрода - положителен катод и отрицателен анод.

Между електродите се намира течен електролит, който служи като среда за химическите реакции, които произвеждат електрически ток. В литиево-сярната батерия катодът е съставен от серно-въглеродна матрица, а за анода се използва литиев метален оксид.

В елементната си форма сярата е непроводима, но когато се свърже с въглерод при повишена температура, тя става силно проводима и позволява да се използва в новите технологии за производство на батерии.

Проблем обаче е, че сярата лесно се разтваря в електролита на батерията, което води до влошаване на електродите от двете страни само след няколко цикъла. Учените са използвали различни форми на въглерод, като нанотръбички и комплексна въглеродна пяна, за задържане на сярата на място, но с ограничен успех.

За да развият своя метод, учените от Ренселар си партнират с производителя на хартия Finch Paper, който предоставя лигносулфонат. Тази кафява луга се изсушава и след това се загрява до около 700°C в кварцова тръбна пещ. Високото излъчване на топлина отвежда повечето от серния газ, но запазва част от сярата като полисулфиди (вериги от серни атоми), които са интегрирани дълбоко в матрицата на активния въглен.

Процесът на нагряване се повтаря, докато правилното количество сяра се улови във въглеродната матрица. След това материалът се смила и се смесва с инертно полимерно свързващо вещество, за да се създаде катодно покритие върху алуминиево фолио.

Изследователският екип досега е създал прототип на литиево-сярна батерия, който има размери на батерия за часовници и над 200 работни цикъла. Следващата стъпка ще бъде да се направи по-голям прототип, за да се увеличат значително степента на разреждане и жизненият цикъл на батерията.

“При повторното използване на този вид биомаса се допринася значително за опазването на околната среда, като същевременно се изгражда по-ефективна батерия, която може да осигури необходимия тласък в сектора за технологии за съхранение на енергия”, смятат учените.