В условиях глобального перехода к электромобилям время, необходимое для зарядки аккумуляторов, продолжает оставаться существенным препятствием для электромобилей (EV). Современным литий-ионным аккумуляторам требуется от 20 до 30 минут, чтобы зарядиться от 20% до 80%, но полная зарядка часто занимает гораздо больше времени, а высокоскоростная зарядка со временем изнашивает элементы аккумулятора.
Однако исследование, проведенное Кильским университетом, предполагает, что литий-серные аккумуляторы (LSB) могут вскоре изменить эти ограничения. Недавно опубликованное этим научным центром в Германии исследование в области передовых энергетических материалов описывает, как литий-серные аккумуляторы могут, наконец, преодолеть ограничения скорости зарядки и производительности современных литий-ионных систем. Основываясь на анализе сотен недавних исследований, ученые из Германии, Индии и Тайваня представили план действий по обеспечению того, чтобы время зарядки аккумуляторов LSB составляло менее 30 минут, а в некоторых случаях и 12 минут, обеспечивая при этом более высокую плотность энергии и повышенную безопасность.
В основе конструкции LSB лежит серный катод, соединенный с металлическим литиевым анодом. Такая комбинация обеспечивает теоретическую производительность до 2600 ватт-часов на килограмм, что почти в десять раз превышает плотность энергии обычных литий-ионных элементов. Для электромобилей это означает значительно больший запас хода на одной зарядке, что является важным шагом на пути к устранению опасений потребителей по поводу дальности пробега такого транспортного средства. Сера – это безопасный и экологичный материал, который является дешевым и легкодоступным. Это делает его привлекательным выбором по сравнению с кобальтом и никелем, которые имеют существенные проблемы не только в цепочках поставок.
Однако технология литий-серных аккумуляторов сопряжена с серьезными трудностями. Сера плохо проводит электричество, поэтому для эффективного переноса электрических зарядов ее необходимо смешивать с материалами на основе углерода. Эти материалы увеличивают вес и усложняют конструкцию. Кроме того, серный катод подвергается объемному расширению и сжатию до 80% во время циклов зарядки, что снижает механическую стабильность и сокращает срок службы такого аккумулятора. Наиболее известной проблемой является также “челночный эффект”, когда промежуточные соединения полисульфида лития мигрируют между катодом и анодом, вызывая нежелательные побочные реакции и снижение эффективности. Все это не только снижает производительность, но и создает нестабильность при длительном цикле работы.
Другой серьезной проблемой литий-серных аккумуляторов является образование дендритов на металлическом литиевом аноде. Эти крошечные игольчатые структуры разрастаются во время повторяющихся циклов зарядки и могут привести к короткому замыканию, а в некоторых случаях и к возгоранию батареи. Как пояснил главный автор проведенных в Кильском университете исследований Якоб Офферманн, предотвращение роста дендритов имеет важное значение для обеспечения безопасности и надежности аккумуляторов следующего поколения.
Тем не менее, многие из указанных проблем удалось решить исследователям из Кильского университета. В подготовленном ими обзоре представлены научные и инженерные стратегии, позволяющие быстро заряжать литий-серные аккумуляторы, сохраняя при этом безопасность и высокую производительность. Ключевым направлением является усовершенствование конструкции катода с использованием передовых материалов на основе углерода, таких как графен, нанотрубки и пористые структуры из активированного угля, для улучшения переноса электронов и ионов.
Другие предлагаемые пути включают использование каталитических материалов, таких как оксиды металлов и одноатомные катализаторы, для ускорения реакций превращения серы и подавления эффекта переноса. Исследователи также изучают усовершенствованные сепараторы и высококонцентрированные электролиты, которые будут содержать полисульфиды и обеспечивать быстрый ионный обмен.
Как подчеркивают исследователи из Кильского университета, стабилизация литиевого анода остается приоритетной задачей. Проводятся испытания защитных покрытий поверхности и инженерных 3D-структур из лития, которые предотвращают образование дендритов и продлевают срок службы батареи. Параллельно исследователи экспериментируют с новыми формами серы, такими как моноклинная гамма-сера, которая может обеспечить прямую твердофазную реакцию, эффективно обходя челночный эффект в целом.
Значительным подспорьем в проведенных Кильским университетом исследованиях стал, как сообщается, искусственный интеллект, который все чаще используется для оптимизации работы со сложными материалами, прогнозируя комбинации, которые обеспечивают наилучшее соотношение между плотностью энергии, стабильностью и скоростью зарядки.
По сообщениям исследователей из Кильского университета, первые прототипы инновационного литий-серного аккумулятора Radical EV уже демонстрируют многообещающую производительность, достигая плотности энергии около 2 мАч/см2 при высокой скорости зарядки. «Наш анализ показывает, что время быстрой зарядки, составляющее менее 30 минут, а в некоторых случаях и менее 15 минут, вполне реально, при одновременном увеличении емкости», – отмечают они.
Как сообщается, указанное исследование проводилось при международном сотрудничестве фондов регионального развития Европейского союза, института имени Шива Надара в Индии и национального научного управления Тайваня. По оценкам немецких экспертов, дорожная карта, представленная командой Кильского университета, оказалась успешной и приближает осуществление более быстрой зарядки, с использованием безопасных и долговечных инновационных литий-серных аккумуляторов.
