Разработка недорогих и долговечных аккумуляторов для электромобилей на основе литий-серной электрохимической системы

Литий серные аккумуляторы редко рассматривают в качестве будущего поколения источников питания для электромобилей. Однако недавно инженер-механик Дунхай Ван и группа исследователей под его руководством разработали методику, как сделать аккумуляторы Li-S более долговечными. Они будут иметь более высокий уровень энергетической плотности по сравнению с существующими образцами.

Учёные смогли подавить нежелательные побочный эффект, который выражается в растворении полисульфида. Он существенно сокращает срок службы данных аккумуляторов. Ван, заведующий кафедрой машиностроения Brown Foundation и профессор машиностроения в SMU Lyle, отметил, что они сосредоточили свои исследования на разработке и синтезе наноструктурированных функциональных материалов и технологии хранения энергии. Они проводят эту работу в рамках изучения литий-ионных аккумуляторных батарей, а также вне этой технологии.

Результаты своего исследования группа учёных опубликовала в Nature Sustainability. Согласно нему, был разработан гибридный полимерный катод, который позволяет аккумуляторам Li-S выдавать более 900 мАч/г. Для сравнения, это значение для стандартных литий-ионных аккумуляторов составляет 150-250 мАч/г. Это значит, что электрохимическая система литий-сера может хранить значительно больше электроэнергии. Помимо этого, разработанный учёными катод обеспечивает отличную стабильность циклирования. Циклическая ёмкость показывает число раз, которое аккумулятор может заряжаться и разряжаться, прежде чем его ёмкость резко ухудшается. Более высокое значение циклической ёмкости говорит о длительном сроке эксплуатации аккумулятора.

Помощь в разработке нового катода группе Вана оказали исследователи из Университета штат Пенсильвания, Брукхейвенской национальной лаборатории, Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории, Аргоннской национальной лаборатории, Иллинойсского университета в Чикаго.

Новая разработка делает Li-S аккумуляторы перспективными в качестве будущего источника питания для электротранспорта. Ван говорит, что длительный период времени научное сообщество боролось за уменьшение негативных последствий растворения полисульфида в данной электрохимической системе.

В электрохимической системе Li-S катодом является положительно заряженный серосодержащей электрод. Анодом является электрод из металлического лития. Между ними находится электролит, через который двигаются ионы. Серу нельзя назвать идеальным материалом для электрода. Когда на катоде ионы лития связываются с атомами серы, образуются растворимые молекулы полисульфида, дрейфующие в электролит. Они вызывают деградацию катода и снижают способность аккумулятора к многократным циклам заряда и разряда. Это явление уже давно известно под названием растворение сульфида.

Ван со своей командой заявляют, что нашли решение вышеназванной проблемы. То, что они предлагают, называется гибридным полимерным сетевым катодом. Этот катод использует атомную адсорбцию, несколько серных связующих связей, быструю транспортировку и электронов на молекулярном уровне. Такое сочетание свойств позволяет в реальном времени повторно связывать и адсорбировать любые несвязанные виды серы. Это эффективно устраняет растворение полисульфида и увеличивает срок службы аккумулятора.