Учёные разработали новый способ получения редкой формы серы для карбонатного электролита в литий-ионных аккумуляторах
Растущий спрос на электромобили способствует появлению новых материалов и технологий для аккумуляторов к этим транспортным средствам. Недавно инженеры-химики из Дрексельского университета разработали способ введения серы в литий-ионные аккумуляторы для улучшения их характеристик. Ещё до бума на электромобили серные литий-ионные аккумуляторы были перспективной разработкой. Эта электрохимическая система привлекала учёных изобилием и дешевизной серы, а также химической структурой, позволяющей накапливать гораздо больше энергии. Однако коммерческому применению этих аккумуляторов мешали некоторые проблемы. Учёные из Дрексельского университета недавно заявили, что им удалось устранить существующие преграды для коммерческого применения серных литий-ионных аккумуляторов.
Изображение: drexel.edu
Как пишут исследователи в своей статье в журнале Communications Chemistry, открытие заключается в разработке нового способа производства и стабилизации редкой формы серы. Она функционирует в карбонатном электролите, который используется для переноса заряженных частиц в литий-ионных аккумуляторах. Учёные заявляют, что благодаря этому открытию коммерческие образцы этих аккумуляторов будут иметь в три раза большую ёмкость, чем современные. Кроме того, они смогут выдерживать более 4000 циклов заряд-разряд, что эквивалентно 10 годам работы.
Руководитель исследовательской группы из Дрексельского университета, Вибха Калра, отметил, что на планете есть большие запасы серы и её можно добывать безопасным и экологически чистым способом. Поэтому литий-серные аккумуляторы (Li-S) имеют прекрасные перспективы в будущем. Проблема введения серы в литиевый аккумулятор с карбонатным электролитом заключалась в необратимой реакции между промежуточными продуктами серы (полисульфиды) и электролитом. Из-за этого попытки использовать серный анод приводили практически к моментальному выходу из строя аккумулятора уже после одного цикла заряда и разряда.
Аккумуляторы Li-S уже продемонстрировали прекрасную производительность в условиях эксперимента с использованием эфирного электролита. Это вещество не вступает в реакцию с полисульфидами, как карбонатный электролит. Однако перспективы этих аккумуляторных батарей с эфирным электролитом туманны. Ведь эфирный электролит очень летучий и имеет в своём составе компоненты с температурой кипения около 42° С. Поэтому при использовании аккумулятора при комнатной температуре может вызвать его отказ или расплавление.
Как говорит Вибха Калра, за последнее десятилетие в большинстве Li-S использовались эфирные электролиты. По его мнению, учёные упустили из виду тот факт, что сам электролит является проблемой. Их исследовательская группа занялась тем, что исключила из процесса полисульфиды, но не стала полностью заменять электролит. В результате они получили прототип, который работает в течение нескольких тысяч циклов.
Предыдущее исследования группы под руководством Калры использовали следующий подход к проблеме. Они создавали катод из углеродного нановолокна, который обеспечивал замедление эффекта челнока в батареях Li-S на основе эфира. При этом ограничивалось движение промежуточных полисульфидов. Но для улучшения работы всей системы в целом им требовалось заставить работать полученный катод с жизнеспособным электролитом. Именно поэтому они стали заниматься совмещением катода из углеродного нановолокна с карбонатным электролитом.
Чтобы предотвратить образование полисульфидов и исключить побочные реакции, ученые попытались ограничить серу в катодной подложке из углеродных нановолокон. Для этого они применили метод осаждения из паровой фазы. Этот процесс не позволил им внедрить серу в сетку из нановолокна. Однако в результате они получили прекрасные характеристики при тестировании катода новой системы. У них были опасения, что серный катод может привести к остановке реакции, но на их удивление он работал хорошо, выдержав многократные циклы заряда и разряда.
В ходе дальнейшего исследования специалисты обнаружили, что в процессе осаждения серы на поверхность углеродных нановолокон происходит переход её из газообразного в твёрдое состояние. При этом сера кристаллизовалась таким образом, что происходило небольшое изменение элемента, которое учёные назвали моноклинной гамма-фазой серы. Эта химическая фазы серы не вступает в реакцию с карбонатным электролитом. Ранее такая фаза получалось только при высоких температурах в лабораториях, а в природе этот вид сферы наблюдался лишь при экстремальных условиях в нефтяных скважинах.
Один из авторов исследования Рахул Пай, сказал, что сначала им трудно было поверить в полученный результат. До этого все исследования показывали, что моноклинная сера была нестабильна при температуре ниже 95 градусов по Цельсию. В двадцатом столетии проводилась всего несколько исследований по изучению моноклинной гамма-серы, которая была стабильной в течение 20-30 минут. Им же удалось создать этот материал в катоде, который выдержал тысячи циклов заряда-разряда без уменьшения мощности и ёмкости. Через год использования они обнаружили, что химическая фаза серы осталась без изменений.
Команда исследователей сообщила, что после года испытаний серный катод остаётся стабильным. Он выдержал около 4000 циклов заряда-разряда, что эквивалентно 10 годам постоянного использования. При этом его производительность не ухудшалась. Как и предполагали учёные, ёмкость Li-S аккумулятора больше чем в 3 раза выше ёмкости стандартной литий-ионной АКБ. Калра говорить, что они продолжают работу над тем, чтобы понять весь механизм создания стабильной моноклинной серы при комнатной температуре. По его мнению, это позволит расчистить путь для разработки более доступных и надёжных аккумуляторных технологий.
Если удастся заменить кобальт, марганец и никель в литий-ионных аккумуляторах серой, то удастся серьёзно снизить их стоимость. К тому же, запасы серы на планете практически не ограничены. Её можно получать без вреда окружающей среде и здоровью людей. В частности, сера в огромных количествах образуется, как отход при нефтедобыче. Калра считает, что стабильный серный катод, работающий в карбонатным электролите, позволит существенно продвинуться вперёд при изучении альтернативы литиевым анодам. Например, могут быть использованы такие варианты как натрий, который является более дешевой и распространённой альтернативой.
Учёные считают, что устранение зависимости от лития и прочих дорогостоящих и редких металлов, является жизненно важным шагом в индустрии аккумуляторов и электромобилей, в которых они используются.
(голосов: 1, в среднем: 5,00 из 5)
Загрузка...
