Твердотельный электролит увеличивает долговечность литий-серных батарей в тысячу раз
Представьте себе батарею, которая не просто долго работает, а невероятно долго – настолько, что понятие частой подзарядки практически исчезает из вашего повседневного лексикона. Именно такую перспективу открывают литий-серные аккумуляторы, усиленные инновационным твердым электролитом.
реклама
Следует отметить, что в настоящее время литий является ключевым элементом современных батарей, но его доля в их составе относительно невелика. Основную массу занимают материалы электродов, где и накапливается литий в процессе разрядки и хранения энергии. Следовательно, поиск новых электродных материалов, способных вместить больше лития, – прямой путь к созданию более легких и компактных аккумуляторов. Именно поэтому в последних поколениях батарей все чаще применяется кремний в составе электродов.
Однако существует материал, превосходящий кремний по способности аккумулировать литий – это сера. Но у серы есть существенный недостаток: она проявляет высокую химическую активность внутри аккумулятора. Более того, подобно другим электродным материалам, сера увеличивается в объеме при накоплении лития, что создает механическое напряжение в конструкции батареи. В результате, несмотря на относительную простоту сборки литий-серных аккумуляторов, их производительность быстро снижается.
Но недавние исследования демонстрируют значительный прогресс в этой области. Ученые разработали литий-серный аккумулятор, который сохраняет более 80% своей первоначальной емкости даже после рекордных 25 000 циклов зарядки и разрядки. Секрет этого успеха кроется в использовании твердого электролита, чья реакционная способность превосходит активность самой серы.
реклама
Привлекательность серы как материала для аккумуляторов обусловлена ее доступностью, низкой стоимостью и легкостью атомов по сравнению с традиционными материалами электродов. Уже существуют натрий-серные аккумуляторы, основанные на еще более дешевом сырье, но они функционируют лишь при высоких температурах, необходимых для расплавления компонентов. Литий-серные аккумуляторы, напротив, потенциально могут работать в условиях, аналогичных современным литий-ионным аналогам.
Однако есть и ряд существенных отличий. Чистая сера, используемая в качестве электрода, является плохим проводником электричества, поэтому ее необходимо включать в проводящую матрицу. Для сравнения, графит, благодаря своей графеновой структуре, эффективно накапливает литий и обладает хорошей электропроводностью. Кроме того, при накоплении лития сера образует соединение Li₂S, занимающее значительно больший объем, чем исходная элементарная сера.
Все эти проблемы можно решить путем грамотного проектирования конструкции аккумулятора, но более серьезные трудности связаны с особенностями химических реакций между литием и серой на электроде. Элементарная сера представляет собой восьмиатомное кольцо, и ее взаимодействие с литием протекает медленно, приводя к образованию нестабильных промежуточных соединений с более короткими цепочками серы. К сожалению, эти соединения, как правило, растворяются в большинстве электролитов и могут мигрировать к противоположному электроду, вступая там в нежелательные реакции.
Этот процесс фактически разряжает аккумулятор без полезного использования электронов и постепенно выводит серу из активной массы электрода, делая ее недоступной для будущих циклов. В результате ранние версии литий-серных аккумуляторов саморазряжались в состоянии покоя и выдерживали лишь несколько сотен циклов до значительной потери емкости.
реклама
Тем не менее, прогресс не стоит на месте. Уже представлены литий-серные аккумуляторы, по своим характеристикам приближающиеся к литий-ионным. Более того, одна из компаний недавно привлекла инвестиции для строительства первого крупного завода по производству таких батарей. Поэтому новые исследования в этой области открывают перспективы для значительного улучшения их характеристик, превосходящих возможности литий-ионных технологий.
В центре внимания недавней работы китайских и немецких ученых – проблема относительно медленной химической реакции между ионами лития и элементарной серой. Исследователи рассматривают это как препятствие для быстрой зарядки, что особенно важно для применения в электромобилях. Однако решение проблемы образования неактивных промежуточных продуктов в ходе этой реакции также напрямую влияет на увеличение срока службы литий-серных аккумуляторов.
И, как оказалось, ученые нашли сразу два решения.
реклама
Одной из основных проблем является растворимость промежуточных продуктов реакции лития с серой в жидких электролитах. Однако эта проблема исчезает при использовании твердого электролита. Такие материалы обладают пористой структурой на атомном уровне, где ионы могут свободно перемещаться. Если создать условия для удержания ионов на одной стороне электролита, например, за счет химической реакции, то можно обеспечить их однонаправленное движение.
Важно отметить, что поры твердого электролита, свободно пропускающие компактные ионы лития, будут задерживать крупные ионизированные цепочки серы, тем самым минимизируя нежелательные процессы. Однако твердый электролит имеет проблемы при быстрой зарядке.
Исследователи начали с изучения стекла на основе бора, серы и лития, но его проводимость оказалась крайне низкой. Экспериментируя с различными составами, они остановились на комбинации с добавлением фосфора и йода.
Именно йод сыграл ключевую роль. Без использования этого химического элемента обмен электронами с серой происходит относительно медленно, а вот при добавлении йода окислительно-восстановительные реакции проходят чрезвычайно быстро. Он действует как посредник, ускоряя передачу электронов к сере и, следовательно, ускоряя реакции на электроде. Кроме того, йод имеет относительно низкие температуры плавления и кипения, что, по мнению исследователей, способствует его перемещению внутри электролита, позволяя ему действовать в качестве своеобразного электронного "челнока".
В результате ученые получили электролит с улучшенными характеристиками, где йод решил главную проблему с быстрой зарядкой. Обычно быстрая зарядка снижает общую емкость аккумулятора. Однако аккумулятор на основе новой технологии при сверхбыстрой зарядке (50C, полная зарядка чуть более чем за минуту) сохранил половину емкости по сравнению с зарядкой в 25 раз медленнее (2C, полчаса до полной зарядки).
Но самым впечатляющим показателем стала долговечность аккумулятора. Даже при умеренной скорости зарядки (5C) он сохранил более 80% первоначальной емкости после более чем 25 000 циклов зарядки и разрядки. Для сравнения, литий-ионные аккумуляторы достигают такого уровня деградации примерно после 1000 циклов. Если такие характеристики будут достигнуты в массовом производстве, это может кардинально изменить наше взаимодействие с портативными устройствами.
Однако пока неизвестно, в полной ли мере реализован потенциал литий-серных аккумуляторов в плане удельной емкости (энергии на единицу веса и объема). Исследователи описывают тестовый аккумулятор, где один электрод выполнен из индиево-литиевой фольги, а другой – из смеси углерода, серы и стеклянного электролита. Слой электролита разделяет электроды. При этом данные по удельной емкости приводятся только относительно массы серы.
Тем не менее, даже если ограничения по весу не позволят использовать эту технологию в смартфонах и электромобилях в ближайшее время, существует множество других областей применения, где долговечные аккумуляторы, способные выдерживать десятилетия ежедневной эксплуатации, будут крайне востребованы.
Лента материалов
Соблюдение Правил конференции строго обязательно!
Флуд, флейм и оффтоп преследуются по всей строгости закона!
Комментарии, содержащие оскорбления, нецензурные выражения (в т.ч. замаскированный мат), экстремистские высказывания, рекламу и спам, удаляются независимо от содержимого, а к их авторам могут применяться меры вплоть до запрета написания комментариев и, в случае написания комментария через социальные сети, жалобы в администрацию данной сети.
Комментарии Правила