Ученым из американского Национального института стандартов и технологий (NIST), Университета Аризоны в Тусоне и Сеульского национального университета в Корее удалось создать из промышленных отходов и небольшого количества пластика недорогой и высокоемкостной литий-серный аккумулятор, который может подвергаться сотням циклов зарядки-разрядки без потери своих первоначальных характеристик.
Что касается производительности нового аккумулятора, то, по словам материаловеда из NIST Кристофера Солеса, она будет конкурентоспособной по отношению к сегодняшним рыночным аналогам, поскольку им уже удалось добиться 500 циклов з/р, что выше, чем у батарей в современных ноутбуках.
Принцип работы аккумуляторной батареи заключается в движении положительных ионов между двумя электродами – анодом и катодом. В последнее десятилетие разработчикам компактных батарей, использующих крошечные ионы лития, удалось добиться очень высокой плотности энергии, что позволяет устанавливать небольшие и одновременно с этим очень мощные аккумуляторы в портативные устройства, такие как смартфоны.
Однако технология производства литий-ионных (Li-ion) аккумуляторов требует достаточно громоздких катодов, которые обычно изготавливаются из керамических оксидов, таких как оксид кобальта, необходимых для хранения ионов, что ограничивает энергетическую плотность батареи. Это означает, что для более энергоемких систем, таких как электрические автомобили с большой дальностью хода, даже литий-ионная технология не является идеальной.
Наиболее подходящим на эту роль является литий-серный аккумулятор (Li-S), оснащенный серным катодом. Главным преимуществом серы перед кобальтом является ее очень низкая стоимость, поскольку этот материал является отходом переработки нефти. Кроме того, сера весит почти вдвое меньше кобальта, а также может вместить в себя более чем в два раза больше ионов лития, чем оксид кобальта. Таким образом, энергетическая плотность Li-S аккумуляторных батарей в несколько раз превышает плотность Li-ion.
Однако не лишены серные катоды и недостатков: атомы серы очень легко вступают в реакцию с ионами лития, что приводит к образованию соединений, которые затем кристаллизуются и нарушают целостность внутренних элементов батареи, что приводит к ее разрушению во время последующих циклов з/р. В итоге обычный Li-S аккумулятор становится бесполезным после всего нескольких десятков циклов з/р, что очень мало для ноутбука или автомобиля, аккумуляторы которых могут подвергаться одному циклу з/р ежедневно в течение многих лет.
Чтобы создать более стабильный серный катод, ученые нагрели серу до 185 градусов по Цельсию, что позволило превратить молекулу элемента в незамкнутую длинную цепочку из восьми атомов. Затем они соединили получившиеся цепочки при помощи диизопропенилбензола (ДИБ), получив в результате так называемый сополимер. Ученые окрестили процесс получения серных катодов «обратной вулканизаций», поскольку он напоминает процесс изготовления резиновых шин, правда, с одним существенным отличием: во втором случае углеродсодержащий материал составляет основу, а количество серы минимально.
Добавление ДИБ позволило уменьшить способность катодов к образованию трещин, а также предотвратить кристаллизацию литий-серных соединений. Ученые проверили ряд исследований и выявили, что оптимальное количество ДИБ находится в пределах 10-20% от общей массы катода. Кроме того, исследователи подвергли свою оптимизированную батарею 500 циклам з/р и обнаружили, что она сохранил более половины своей начальной емкости.
Ученым из американского Национального института стандартов и технологий (NIST), Университета Аризоны в Тусоне и Сеульского национального университета в Корее удалось создать из промышленных отходов и небольшого количества пластика недорогой и высокоемкостной литий-серный аккумулятор, который может подвергаться сотням циклов зарядки-разрядки без потери своих первоначальных характеристик.
Загрузка ...
