Прогрес у літій-сірчаних батареях - нова катодна конструкція робить енергоємні батареї
Нова катодна конструкція робить енергоємні акумулятори більш міцними та потужними
Покращена концепція акумуляторів: Дослідники надали літій-сірчаним батареям більшої потужності та довговічності - завдяки новому дизайну сірчаного катода. Це запобігає дегенерації сірчаного електрода навіть при більш товстих шарах сірки і забезпечує щільність потужності понад 1200 міліампер на грам, як повідомляють дослідники в журналі "Наукові досягнення". Це може зробити літій-сірчані батареї практично придатними для використання в майбутньому.
Літій-іонні акумулятори сьогодні є майже у всіх мобільних пристроях, в електромобілях та в багатьох інших додатках для акумуляторів. Але у цих акумуляторів є деякі слабкі сторони: вони можуть вибухнути, втратити потужність з часом, і їх щільність енергії не є оптимальною - це, серед іншого, обмежує діапазон електромобілів. Ось чому дослідники по всьому світу шукають більш потужні альтернативи літій-іонним батареям; кандидати на літій-металеві батареї, іонно-натрієві батареї або літій-сірчані батареї.
Сірка замість графіту
Літій-сірчані батареї використовують як катод суміш сірки та вуглецю. Коли акумулятор розряджається, металевий літій на аноді реагує з сіркою, утворюючи сульфід літію, виділяючи тим самим електроенергію. Теоретично літій-сірчані акумулятори досягають майже оптимально високої щільності енергії - і, отже, можуть значно збільшити асортимент електромобілів з меншою вагою.
Але на практиці ці батареї мають уловлювання: з часом структура та об’єм катода різко змінюються. Як результат, продуктивність акумулятора значно зменшується з кожним циклом зарядки. "Цей побічний ефект від розпаду електродів стає все більш вираженим, коли катод стає товщі", - пояснюють Махдохт Шайбані з університету Монаш в Австралії та її колеги.
Ось чому дослідники вже випускають довговічні, високоефективні літій-сірчані акумулятори як кнопочні елементи, але більші батареї не мають терміну служби.
Мікроструктура катода оптимізована
Можливо, Шайбані та її команда зараз знайшли рішення цієї проблеми масштабування. Ви розробили сірчані катоди, структура яких мінімізує зміни в обсязі, навіть із більшими батареями. Основою концепції є зв'язуючий агент, виготовлений з карбоксиметилцелюлози натрію (Na-CMC), який утримує сірку та вуглець разом на катоді і, таким чином, має вирішальний вплив на поведінку та мікроструктуру.
Дослідники розробили метод виробництва для своєї нової літій-сірчаної батареї, яка розподіляє зв'язуючий агент ефективніше і в той же час більш дрібний в катодному матеріалі. "Це дозволяє утворювати механічно міцні мости між матеріалами і створює катоди з унікальною архітектурою", - повідомляють Шайбані та її колеги. "Ці катоди мають великі реакційні поверхні, витримують напруження заряду і мають високу електропровідність та проникність іонів".
Висока ефективність та потужність
Але що це насправді приносить? Щоб перевірити це, дослідники сконструювали сірчані катоди на основі нової конструкції та вбудували їх у комірчасті мішки - більші акумулятори з гнучкими оболонками, такі як ті, що використовуються в електромобілях. Тест показав, що ці катоди досягають ємності понад 1200 мАг на грам - це приблизно втричі перевищує значення звичайних літій-іонних акумуляторів.
Але що ще важливіше: літій-сірчані акумулятори майже не втрачали своєї потужності навіть після більш ніж 200 циклів зарядки. "На сьогодні такий рівень стійкої ємності був недосяжним для сірчаних катодів такої товщини", - констатують вчені. У той же час його катод досяг ефективності 99 відсотків. "Наскільки нам відомо, це поєднання чудової стабільності та ефективності циклу є унікальним для катодів з таким високим вмістом сірки", - повідомляють вони.
Недорогий, екологічно чистий і простий у виробництві
На думку дослідників, їх спосіб виготовлення вирішує проблему масштабування літій-сірчаних батарей і, отже, може зробити їх високу щільність енергії придатною на практиці в майбутньому. "Цей підхід не тільки забезпечує нам акумулятори з високою продуктивністю та довгим терміном служби, вони також легкі та недорогі у виробництві", - пояснює співавтор Метью Хілл з австралійської дослідницької організації CSIRO.