Новый химический состав может позволить литий-серным аккумуляторам запасать больше энергии

Исследователь из Университета Вандербильта Де-энь Цзян (De-en Jiang) и его коллеги продемонстрировали новый способ получения большего количества энергии из серы — недорогого и широко распространенного материала для аккумуляторов.

Литий-серные аккумуляторы — это экспериментальная альтернатива современным литий-ионным аналогам. Они способны запасать значительно больше энергии в пересчете на единицу массы, однако до сих пор было сложно сделать их долговечными и практически пригодными к использованию.

Теперь исследователи из Университета Вандербильта и Мэрилендского университета предложили новый подход, который может существенно повысить потенциал таких аккумуляторов в плане накопления энергии.

В статье, опубликованной в журнале Nature Energy, научная группа представила химический состав, благодаря которому сера может участвовать в дополнительной реакции накопления энергии. В результате созданный на основе серы аккумулятор работает при более высоком среднем напряжении и при этом запасает больше заряда.

«Традиционный подход к литий-серным аккумуляторам не позволяет в полной мере использовать окислительно-восстановительный потенциал серы, — отмечает Де-энь Цзян, профессор химической инженерии и химии (занимающий именную кафедру имени Г. Юджина Макбрейера), один из авторов-корреспондентов исследования. — Мы хотели выяснить, можно ли расширить окислительно-восстановительные возможности серы, чтобы запасать с ее помощью больше энергии».

Сера давно привлекает внимание разработчиков аккумуляторов благодаря своей доступности и низкой стоимости. Кроме того, она способна накапливать гораздо больше заряда на единицу массы, чем материалы, обычно используемые в катодах литий-ионных аккумуляторов.

Основная сложность заключалась в том, что большинство литий-серных аккумуляторов работают при относительно низком напряжении. А количество энергии, которое может запасти аккумулятор, зависит как от величины накопленного заряда, так и от рабочего напряжения.

Исследователи нашли способ улучшить оба этих показателя. В обычном литий-серном аккумуляторе каждый атом серы при заряде и разряде может обмениваться двумя электронами. Новая система дополняет этот химический процесс введением хлора, что позволяет сере участвовать в обмене третьим электроном.

К тому же, эта дополнительная реакция протекает при более высоком напряжении. В ходе лабораторных испытаний новый химический состав увеличил емкость хранения заряда серы примерно на 58% и повысил среднее рабочее напряжение аккумулятора с 2,05 В до 2,54 В (по сравнению со стандартной литий-серной системой, протестированной в тех же условиях). Сочетание более высокой емкости хранения заряда и повышенного напряжения позволило одному килограмму серы запасать более 1700 ватт-часов энергии в экспериментальной ячейке.

Разработка электролита для обеспечения работоспособности системы

Одной из сложных задач стало обеспечение обратимости новой химической реакции. Исследователям нужно было добиться того, чтобы хлор взаимодействовал с серой во время зарядки, но при этом образующееся соединение серы и хлора не перемещалось по аккумулятору и не вступало в реакцию с литий-металлическим электродом.

С помощью молекулярного моделирования ученые изучили поведение ионов лития и хлорид-ионов в различных электролитах. На основе этих расчетов был создан электролит, в котором хлорид-ионы остаются доступными для взаимодействия с серой.

Кроме того, был подобран такой электролит, в котором продукт реакции серы и хлора плохо растворяется. Благодаря этому он остается там, где должен находиться — внутри положительного электрода аккумулятора, — что позволяет обратить реакцию при разрядке.

Эксперименты с применением различных методов спектроскопии подтвердили, что сера многократно переходит в новое химическое состояние в процессе зарядки и разрядки ячеек.

В конечном итоге исследователи создали небольшой однослойный аккумулятор мягкого типа (pouch cell), чтобы продемонстрировать работоспособность предложенного химического состава вне рамок миниатюрных дисковых ячеек, которые обычно используются на начальных этапах тестирования. После 100 циклов зарядки такой аккумулятор сохранил 78% своей первоначальной емкости.

Прежде чем этот подход можно будет использовать в коммерческих целях, предстоит проделать значительный объем работы. В текущем прототипе применяется литий-металлический электрод, используется относительно небольшое количество серы, а объем электролита превышает показатели, допустимые для коммерческих аккумуляторов.

Тем не менее, по словам Цзяна, главное значение этой разработки заключается в возможности расширения спектра химических процессов, применимых в литий-серных аккумуляторах, — вместо того чтобы ограничиваться лишь совершенствованием традиционных реакций. По оценкам исследователей, если учесть не только электроды, но и основные компоненты аккумулятора в целом, то данный подход позволит достичь удельной энергии на уровне всего блока (ячейки) в 477 ватт-часов на килограмм — это примерно на 37% выше показателей традиционной литий-серной системы, которая использовалась в исследовании для сравнения.