Ученые из Департамента энергетики Национальной лаборатории Оак Ридж (НЛОР) США разработали и испытали полностью твердотельные литий-серные аккумуляторные батареи, энергетическая емкость которых, по утверждению исследователей, в четыре раза превышает емкость обычных литий-ионных аккумуляторов.
Использование серы в указанной батарее, разработанной НЛОР, также призвано решить проблему воспламеняемости, которую вызывают другие химические элементы. “Наш подход представляет собой полное изменение текущей концепции батареи с двумя электродами, соединенных жидким электролитом, который используется в течение последних 150-200 лет”, сказал Ченгду Лян, ведущий автор исследования, проведенного в ORNL и опубликованного в международном издании «Angewandte Chemie».
Ученые поражаются потенциалом литий-серных батарей вот уже на протяжении десятилетий, однако создание их долго работающих, крупномасштабные версий для коммерческого использования казалось невыполнимым.
Исследователей ставило в тупик проблема вытекающая из использования в батареях жидких электролитов: с одной стороны, жидкость помогала проводить ионы через батарею, позволяя литий-полисульфидным соединениям растворяться. С другой стороны, недостатком этого было то, что тот же самый процесс растворения вызывал преждевременный выход батареи из строя.
Команда исследователей ORNL преодолела эти препятствия, совершив первый синтез богатых серой материалов, которые проводят как ионы, так и металлические оксиды лития, обычно используемые в катодах аккумуляторов. После этого команда Ляна объединила новый богатый серой катод и анодом из лития с электролитом их плотного материала, также разработанного в НЛОР, тем самым создав богатую энергией, полностью твердотельную батарею.
“Этот переход от жидкого к твердому электролиту, который полностью изменяет правила игры, устраняет проблему растворения серы и дает нам надежду на многообещающее будующее литий-серных батарей,” сказал Лян в своем заявлении. “Конструкция нашей батареи имеет реальный потенциал для снижения затрат, увеличения плотности энергии и улучшения безопасности по сравнению с существующими литий-ионными технологями.”
Новый ионно-проводящий катод, применяющийся в аккумуляторной батарее НЛОР, может поддерживать мощность в 1200 мАч на грамм после 300 циклов заряда-разряда, при 60 градусах Цельсия. Для сравнения, традиционный катод литий-ионного аккумулятора имеет среднюю мощность около 140-170 мАч / г. Так как литий-серные батареи имеют напряжение около половины от напряжения литий-ионных версий, мы имеем восьмикратное увеличение мощности, которое можно выразить в увеличении в четыре раза гравиметрической плотность энергии по сравнению с литий-ионной технологией, поясняет Лян.
Разработанная командой исследователей полностью твердотельная конструкция батареи также увеличивает её безопасность за счет устранения горючего жидкого электролита, который может вступать в реакцию с металлическим литием. Главным же преимуществом батареи НЛОР является использование элемента серы, которая является массовым побочным продуктом промышленной переработки нефти.
“Сера практически бесплатна”, сказал Лян. “И кроме того, что сера хранит значительно больше энергии, чем соединения переходных металлов, используемых в катодах литий-ионных аккумуляторов, также литий-серные устройства могут помочь утилизации и превращению отходов производства в полезную технологию”.
Несмотря на то, что новый аккумулятор команды разработчиком все еще находится в стадии демонстрации, Лян и его коллеги надеются в скором времени стать свидетелями быстрого продвижения своих исследований из лаборатории в коммерческое применение. Патент на дизайн команды находится на рассмотрении.
