477 Вт·ч/кг: исследователи значительно улучшили литий-серные аккумуляторы
- Ученые из университетов Вандербильта и Мэриленда задействовали хлор для трехэлектронной реакции серы, повысив рабочее напряжение с 2,05 до 2,54 В.
- Потенциальная энергоемкость аккумуляторного стека оценивается в 477 Вт·ч/кг, что на 37% выше показателей традиционной литий-серной системы.
- Однослойный пакетный прототип сохранил 78% емкости после 100 циклов, но пока содержит слишком много электролита для серийного производства.
Почему это важно: Адаптация этой реакции позволит увеличить энергоемкость батарей без использования дорогих катодных материалов благодаря распространенности и дешевизне серы.
Исследователи из Университета Вандербильта и Университета Мэриленда разработали новую химию литий-серных аккумуляторов, которая позволяет сере участвовать в дополнительной реакции и запасать больше энергии. В экспериментальных ячейках удельная энергоемкость самой серы превысила 1700 Вт·ч/кг.
Изображение сгенерировано GeminiВ обычных литий-серных аккумуляторах каждый атом серы в процессе зарядки и разрядки обменивается двумя электронами. Ученые смогли задействовать ранее неиспользованный потенциал материала и с помощью хлора заставили серу участвовать в реакции с третьим электроном.
Это одновременно увеличило емкость и рабочее напряжение. В экспериментах емкость серы выросла примерно на 58%, а среднее напряжение повысилось с 2,05 до 2,54 В. В результате один килограмм серы в новой системе способен запасать более 1700 Вт·ч энергии.
При этом показатель относится только к активному материалу и не означает, что готовый аккумулятор будет иметь такую же удельную энергоемкость. Если учитывать основные компоненты аккумуляторного стека, исследователи оценивают потенциальный показатель примерно в 477 Вт·ч/кг — примерно на 37% выше, чем у традиционной литий-серной системы, с которой проводилось сравнение.
Главной проблемой оказалось сделать новую реакцию обратимой. Хлор должен взаимодействовать с серой во время зарядки, но образующееся серно-хлорное соединение не должно растворяться в электролите и перемещаться к литиевому аноду, где оно могло бы вступить в нежелательную реакцию.
Для решения этой задачи ученые использовали молекулярное моделирование и подобрали электролит с нужными свойствами. В нем хлорид остается доступным для реакции с серой, а образующиеся соединения почти не растворяются и остаются внутри положительного электрода. Спектроскопические исследования подтвердили, что сера действительно многократно проходит через дополнительное химическое состояние во время циклов зарядки и разрядки.
Исследователи также собрали однослойный аккумулятор пакетного типа, то есть проверили технологию не только в миниатюрных лабораторных ячейках. После 100 циклов он сохранил 78% первоначальной емкости. Однако до коммерческого применения технологии пока далеко: прототип использует металлический литий, относительно небольшое количество серы и слишком много электролита для практической серийной батареи.
Литий-серные аккумуляторы интересны благодаря высокой теоретической емкости серы, ее распространенности и низкой стоимости. Если новую трехэлектронную реакцию удастся адаптировать для долговечных и массовых элементов, она потенциально позволит увеличить энергоемкость таких батарей без использования дорогих катодных материалов.
© iXBT
