Naukowcy z Instytutu Nauki i Technologii w Daegu (DGIST, Korea Południowa) stworzyli opartą na krzemie katodę, która w ogniwach Li-S powinna wytrzymać ponad 2 000 cykli ładowania. W klasycznych ogniwach Li-ion czysty krzem stosuje się w anodach, gdzie uzupełnia i stopniowo zastępuje on grafit. Tutaj wykorzystano tlenek krzemu, krzemionkę – w katodzie.
Ogniwo Li-S = litowa anoda, krzemionkowa katoda z siarką
Ogniwa Li-S uważa się za interesujące ze względu na wysoką gęstość energii w stosunku do masy oraz niskie koszty produkcji. Jednak na razie nikomu nie udało się wytworzyć takiej ich wersji, która przetrwałaby więcej niż kilkadziesiąt cykli ładowania. Wszystko przez polisiarczki litu (ang. LiPS), które podczas rozładowywania rozpuszczają się w elektrolicie i reagują z anodą powodując obniżenie jej pojemności, a w efekcie degradację ogniwa.
Możliwe, że południowokoreańscy badacze znaleźli rozwiązanie problemu. Zamiast materiałów opartych na węglu (np. grafitu) wykorzystali w katodzie mezoporowatą krzemionkową strukturę płytkową (pOMS).
Budowa płytkowa jest zrozumiała, natomiast mezoporowatość to oznacza zbiór porów (jam) w krzemionce, które mają zaplanowaną wielkość, gęstość na powierzchni i niewielki rozrzut wielkości (źródło). To trochę tak, jakby poukładane obok siebie płytki jakiegoś krzemianu regularnie ponakłuwać, by zrobić z nich sito.
Naukowcy z DGIST wykorzystali te otwory, by ulokować w nich siarkę (rysunek a). Podczas rozładowywania siarka się rozpuszcza i tworzy z litem polisiarczki litu (LiPS). Przepływa zatem ładunek, ale LiPS pozostaje uwięziony w pobliżu katody dzięki dodatkowemu bliżej nieokreślonemu czynnikowi opierającemu się na węglu (czarna struktura, rysunek b).
W trakcie ładowania LiPS oddaje lit, który wreaca do litowej anody. Siarka natomiast wędruje na krzemionkę. Nie ma przechodzenia LiPS do anody, nie ma uszkadzania metalu.
Stworzone w ten sposób ogniwo Li-S utrzymuje wysoką pojemność i stabilność podczas ponad 2 tysięcy cykli pracy. Za standard przy klasycznych ogniwach Li-ion uważa się co najmniej 500-700 cykli pracy, choć warto dodać, że dobrze traktowane ogniwa litowo-jonowe wytrzymują tych cykli kilka tysięcy.
