Серный катод помог создать батарею с рекордной емкостью и долговечностью
Специалисты Национальной ускорительной лаборатории SLAC и ученые из Стэнфордского университета установили мировой рекорд в области хранения энергии. Они использовали серный катод с необычной структурой, чтобы увеличить емкость литий-ионного аккумулятора в пять раз относительно доступных на рынке АКБ. Катод также обладает повышенной долговечностью, сохраняя свои характеристики на достаточно высоком уровне даже после 1000 циклов заряда / разряда. В перспективе данная технология позволит создать легкие и более долговечные батареи нового поколения для использования в портативной электронике и электромобилях. Команда ученых опубликовала результаты своих исследований в журнале Nature Communications.
Литий-ионные аккумуляторы работают за счет перемещения ионов лития между двумя электродами: катодом и анодом. При зарядке аккумулятора ионы и электроны движутся к аноду, создавая электрический потенциал. При разрядке батареи, позволяющей обеспечить энергией широкий спектр устройств, происходит перемещение ионов и электронов к катоду. Один из способов повышения емкости батареи заключается как раз-таки в доработке электродов – повышении их емкости. Успешные разработки уже есть, но их ахиллесовой пятой выступает долговечность.
Уже более 20 лет исследователям известно, что сера теоретически может хранить больше ионов лития, чем другие материалы, и, следовательно, катоды из нее позволят батарее накапливать гораздо больше энергии, чем в случае обычных материалов. Но два ключевых недостатка мешали наладить их коммерческое использование: когда ионы лития попадают на серный катод во время разрядки батареи, они вступают в реакцию с атомами серы, образуя промежуточные соединения (что важно для эффективной работы катода), но при длительном хранении энергии эти соединения растворяются, ограничивая энергоемкость катода. В то же время приток ионов вызывает 80-процентное увеличение объема последнего. Ученые пытались применять защитные покрытия, чтобы помешать растворению промежуточных соединений (полисульфидов), но при расширении катода те покрывались трещинами, что делало подобную затею бесполезной тратой времени.
Американцы решили снова создать серный катод с защитным покрытием, но на этот раз покрытие было изготовлено из пористого диоксида титана (TiO2). При этом твердая оболочка покрывала катод на основе наночастиц серы, объем которых существенно меньше объема свободного пространства внутри оболочки. Поэтому расширение наночастиц не приводило к растрескиванию оболочки. Ионы в данном случае совершенно свободно перемещаются через тонкий слой диоксида титана, а оболочка препятствует растворению полисульфидов в электролите. Диаметр каждой наночастицы, из которых собственно и состоит катод, равен 800 нм. То есть она в сто раз тоньше человеческого волоса.
Современные литий-ионные батареи обычно сохраняют лишь около 80 процентов от своей первоначальной емкости после 500 циклов заряда / разряда. Аккумулятор нового типа теряет только 30% емкости после 1000 циклов. Серный катод, как было сказано выше, накапливает в пять разе больше энергии на единицу своего веса. К сожалению, исследователи не готовы говорить о стоимости подобных батарей. Но плюсов у них предостаточно.
Использованы материалы Nature Communications
