Исследователи Университета Южной Калифорнии, возможно, только что нашли решение для одного из самых больших камней преткновения на пути к следующей волне перезаряжаемых аккумуляторов - достаточно компактных для мобильных телефонов и достаточно мощных для автомобилей.
В статье, опубликованной в январском номере Журнала электрохимического общества, Шри Нараян и Дерек Мой из Исследовательского института углеводородов USC Loker описывают, как они разработали изменение литий-серной батареи, которое могло бы сделать ее более чем конкурентоспособный с литий-ионным аккумулятором промышленного стандарта.
Литий-серный аккумулятор, который долгое время считался лучшим по емкости хранения энергии, чем его более популярный литий-ионный аналог, был ограничен коротким сроком службы. В настоящее время литий-серный аккумулятор можно перезаряжать от 50 до 100 раз, что нецелесообразно в качестве альтернативного источника энергии по сравнению с 1000 раз для многих аккумуляторов, представленных сегодня на рынке.
Небольшой кусочек материала спасает так много жизней
Решение, разработанное Нараяном и ведущим автором и научным сотрудником Моим, называется «мембраной смешанной проводимости», или MCM, небольшим кусочком непористого искусственного материала, зажатого между двумя слоями пористых разделителей, пропитанных в электролитах и помещают между двумя электродами.
Мембрана работает как барьер, уменьшая челночное движение растворенных полисульфидов между анодом и катодом, процесс, который увеличивает напряжение цикла, которое сделало использование литий-серных батарей для хранения энергии проблемой. MCM по-прежнему допускает необходимое движение ионов лития, имитируя процесс, происходящий в литий-ионных батареях. Это новое мембранное решение сохраняет высокую скорость разряда и плотность энергии без потери емкости с течением времени.
При различных скоростях разряда исследователи обнаружили, что литий-серные батареи, в которых использовался MCM, обеспечивали 100-процентное сохранение емкости и срок службы в четыре раза дольше по сравнению с батареями без мембраны.
«Это достижение устраняет один из основных технических барьеров на пути коммерциализации литий-серных батарей, позволяя нам реализовать лучшие варианты энергоэффективности», - сказал Нараян, старший автор и профессор химии в USC Dornsife College. литературы, искусств и наук. «Теперь мы можем сосредоточить наши усилия на улучшении других аспектов разрядки и перезарядки литий-серных аккумуляторов, которые наносят ущерб общему жизненному циклу аккумулятора».
Дешевые и обильные строительные блоки
Серно-литиевые батареи имеют множество преимуществ перед литий-ионными батареями: они сделаны из обильной и дешевой серы и в два-три раза плотнее, что делает их меньше и лучше сохраняет заряд.
Литий-серный аккумулятор идеально подходит для экономии места в мобильных телефонах и компьютерах, а также для снижения веса будущих электромобилей, включая автомобили и даже самолеты, что еще больше снижает зависимость от ископаемого топлива, считают исследователи.
Фактический слой MCM, который разработали Нараян и Мой, представляет собой тонкую пленку литированного оксида кобальта, хотя будущие альтернативные материалы могут дать еще лучшие результаты. Согласно Нараяну и Мою, любой материал-заменитель, используемый в качестве MCM, должен удовлетворять некоторым фундаментальным критериям: материал не должен быть пористым, он должен обладать свойствами смешанной проводимости и должен быть электрохимически инертным.