реклама
Исследователи проявляют большой интерес к литий-серным батареям, которые способны хранить в пять раз больше энергии, чем современные литий-ионные растворы. Команда Мичиганского университета добилась значительного прогресса в реализации этого потенциала в реальном мире. Прорыв связан с применением мембраны естественного происхождения, которая позволила преодолеть проблемы стабильности и создать "почти идеальную" конструкцию батареи, позволяющую ей прослужить более тысячи циклов.
реклама
"Существует ряд отчетов, в которых утверждается, что литий-серные батареи работают по несколько сотен циклов, но это достигается за счет других параметров - емкости, скорости зарядки, устойчивости и безопасности", - сказал руководитель исследовательской группы Николас Котов. "Сегодня задача состоит в том, чтобы сделать батарею, которая увеличит количество циклов с прежних десяти до нескольких сотен и при этом будет соответствовать множеству других требований, включая низкую стоимость".
Для решения этой задачи Котов и его коллеги использовали арамидные нановолокна, которые представляют собой наномасштабные модели кевларовых волокон, и создали из них сложные сети, имитирующие структуру клеточных мембран. Этот материал, пропитанный гелевым электролитом, позволил предотвратить основную причину выхода из строя аккумуляторов - образование на одном из электродов игольчатых наростов, называемых дендритами.
Но преимущества новой мембраны не ограничиваются только этим. При циклическом использовании литий-серной батареи мелкие частицы лития и серы, известные как полисульфиды лития, перетекают в литий и снижают емкость устройства. Команда решила эту проблему, встроив в искусственную мембрану крошечные биоинспирированные каналы и добавив электрический заряд, который отталкивает частицы, позволяя положительно заряженным ионам лития свободно перемещаться.
"По примеру ионных каналов биологического происхождения мы создали магистрали для ионов лития, через которые полисульфиды лития не могут проникать", - сказал Ахмет Эмре, один из первых авторов статьи.
По словам Котова, результатом этой ионной селективности является литий-серная батарея с "почти идеальной" конструкцией. Он утверждает, что КПД устройства приближается к теоретически допустимому пределу, а емкость аккумулятора в пять раз превышает емкость стандартного литий-ионного аккумулятора. Это может позволить в один прекрасный день создать электромобили, которые, смогут проехать в пять раз большее расстояние без подзарядки.
В реальных условиях при использовании технологии быстрой зарядки, по расчетам ученых, батарея должна прослужить около 1 000 циклов, что соответствует 10-летнему сроку службы. В пользу этого устройства говорит и тот факт, что сера более доступна и менее трудоемка в добыче, чем кобальт, используемый в литий-ионных батареях, а арамидные волокна могут быть получены из старых пуленепробиваемых жилетов, что делает это изобретение в целом более экологичным.
"Биомиметическая архитектура этих батарей соединила два разных уровня - молекулярный и наномасштабный", - говорит Котов. "Впервые мы объединили ионную селективность клеточных мембран и прочность хрящевой ткани. Благодаря комплексному подходу мы смогли решить основные проблемы литий-серных батарей".
Исследование было опубликовано в журнале Nature Communications.
Ранее мы сообщали, что литовским ученым удалось разработать высокоэффективные перовскитовые солнечные батареи с коэффициента преобразования солнечной энергии в 21,4 процента.
Компания Tesla в прошлом году показала свою обновленную солнечную черепицу. Кроме того, что максимальная мощность аккумуляторов была увеличена на 22 процента, элементы теперь можно устанавливать на крышах любой сложности.
Источник: https://news.umich.edu/1000-cycle-lithium-sulfur-battery-could-quintuple-electric-vehicle-ranges/