Η τεχνολογία λιθίου-θείου αποτελεί εδώ και μερικά χρόνια μια πολλά υποσχόμενη εναλλακτική λύση για την ανάπτυξη μπαταριών με υψηλότερη ενεργειακή πυκνότητα, αλλά και από άφθονα και φθηνά υλικά.
Το κύριο πρόβλημα που αντιμετωπίζει αυτός ο τύπος κυττάρου είναι η μικρή διάρκεια ζωής του. Κάτι που κατάφερε να λύσει μια ομάδα από το Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας στο Irvine.
Οι μπαταρίες λιθίου-θείου χρησιμοποιούν χαμηλού κόστους και άφθονες πρώτες ύλες για την κάθοδο, όπως το θείο. Ένα υλικό που έχει θεωρητική χωρητικότητα 1675 mAh/g. Το σημαντικότερο μειονέκτημά του, το οποίο περιορίζει την εμπορική του αξιοποίηση, είναι η χαμηλή σταθερότητα των ηλεκτροδίων θείου, τα οποία τείνουν να υποβαθμίζονται λόγω του σχηματισμού πολυθειούχων λιθίου που διαλύονται στον ηλεκτρολύτη.
Για την επίλυση αυτού του προβλήματος, η ομάδα του Nicholas Kotov, καθηγητή χημικών επιστημών και μηχανικής στο Πανεπιστήμιο Irving, χρησιμοποίησε ένα δίκτυο νανοϊνών αραμιδίου, μια κατηγορία στιβαρής, ανθεκτικής στη θερμότητα συνθετικής ίνας που μπορεί να εξαχθεί από ανακυκλωμένο Kevlar.
Αυτό, σύμφωνα με την ερευνητική ομάδα, μπορεί να επιτρέψει στις μπαταρίες θείου λιθίου να ξεπεράσουν τη μεγάλη πρόκληση της μικρής διάρκειας ζωής, η οποία μέχρι τώρα περιόριζε τα καλύτερα παραδείγματα σε μερικές εκατοντάδες κύκλους φόρτισης/εκφόρτισης, και ακόμη και σε αυτές τις περιπτώσεις είχε ως κόστος τη μειωμένη ισχύ εξόδου, τη μειωμένη ισχύ φόρτισης και τη μειωμένη θερμική σταθερότητα.
Για τον σχεδιασμό αυτό, η ομάδα εφάρμοσε βιομιμητική μηχανική σε δύο κλίμακες: μοριακή και νανοκλίμακα. Για πρώτη φορά, ενσωμάτωσαν την ιοντική επιλογή των βιολογικών μεμβρανών και τη σκληρότητα του χόνδρου.
Προηγούμενες εργασίες βασίστηκαν σε δίκτυα νανοϊνών αραμιδίου που εμποτίστηκαν με γέλη ηλεκτρολύτη για να σταματήσουν μία από τις κύριες αιτίες της μικρής διάρκειας ζωής αυτών των κυττάρων: δενδρίτες που αναπτύσσονται από το ένα ηλεκτρόδιο στο άλλο και διαπερνούν τη μεμβράνη. Αυτοί οι δενδρίτες σταματούν από τις ίνες αραμιδίου.
Όμως οι μπαταρίες λιθίου-θείου έχουν ένα άλλο πρόβλημα: σχηματίζονται μικρά σωματίδια λιθίου και θείου, τα οποία ρέουν προς την άνοδο, κολλάνε μεταξύ τους και με την πάροδο του χρόνου μειώνουν τη χωρητικότητα της μπαταρίας. Η μεμβράνη έπρεπε να επιτρέπει στα ιόντα λιθίου να ρέουν από το λίθιο στο θείο και αντίστροφα, και να εμποδίζει τα σωματίδια λιθίου και θείου, γνωστά ως πολυθειούχα λιθίου.
Αυτή η ικανότητα ονομάζεται εκλεκτικότητα ιόντων, ένα σύστημα καναλιών μέσω των οποίων μπορούν να περάσουν τα ιόντα λιθίου, αλλά όχι τα πολυθειούχα λιθίου, τα οποία σταματούν.
Το αποτέλεσμα είναι ένας τύπος κυψέλης λιθίου-θείου που, σύμφωνα με τους σχεδιαστές του, είναι κοντά στην τελειότητα αυτής της χημείας. Αυτό θα της επιτρέψει να πλησιάσει το θεωρητικό όριο της τεχνολογίας, το οποίο, όπως είδαμε παραπάνω, είναι 1675 mAh/g, κάτι που, στα χαρτιά, θα επιτρέψει την ανάπτυξη μπαταριών με ειδική ενέργεια 2500 Wh/kg, δηλαδή 10 φορές τη σημερινή μέση χωρητικότητα του τομέα.
Επιπλέον, αυτές οι μπαταρίες θα έχουν διάρκεια ζωής μεγαλύτερη από 1.000 κύκλους, ακόμη και όταν χρησιμοποιούν ταχεία φόρτιση. Αυτό μπορεί να μην είναι πολύ εντυπωσιακό με την πρώτη ματιά, αλλά για μια μπαταρία αυτής της ενεργειακής πυκνότητας σημαίνει περισσότερα από 10 χρόνια εντατικής χρήσης.
Εκτός από την υψηλότερη ενεργειακή πυκνότητα, οι μπαταρίες θείου λιθίου έχουν πλεονεκτήματα και σε άλλες πτυχές, όπως η βιωσιμότητα. Το θείο είναι πολύ πιο άφθονο από ορισμένα υλικά που χρησιμοποιούνται στα σημερινά συστήματα, όπως το κοβάλτιο. Επιπλέον, οι ίνες αραμιδίου στη μεμβράνη μπορούν να ανακυκλωθούν από παλιά αλεξίσφαιρα γιλέκα και μπορούν να επαναχρησιμοποιηθούν ακόμη και μετά τη διάρκεια ζωής της ίδιας της μπαταρίας.