Исследовательская группа из Южного методистского университета (SMU) во главе с профессором инженерии Донхаем Вангом совершила прорыв в области литий-серных (Li-S) батарей. Эти аккумуляторы уже давно считаются перспективным источником энергии для электромобилей и других устройств, однако их использование сдерживалось быстрым износом и недостаточной емкостью. Теперь же команда Ванга нашла способ сделать такие батареи более долговечными и мощными по сравнению с традиционными перезаряжаемыми аккумуляторами.
Одним из главных препятствий для длительной работы Li-S батарей является так называемое «растворение полисульфидов» — побочный процесс, который сокращает срок службы устройств. Однако, благодаря новому подходу, ученым удалось избежать этой проблемы, что открывает возможности для создания долговечных аккумуляторов, которые смогут стабильно работать в течение продолжительного времени.
Секрет технологии команды Ванга кроется в использовании гибридной полимерной сети в катоде, которая позволяет значительно повысить емкость Li-S батарей, достигнув более 900 мАч/г (миллиампер-часов на грамм массы). Для сравнения, обычные литий-ионные аккумуляторы, применяемые в современных устройствах, обычно обладают емкостью всего от 150 до 250 мАч/г.
«Наша инновационная структура катода обеспечивает высокую стабильность при циклическом использовании, что позволяет литий-серным батареям работать гораздо дольше, чем традиционные аккумуляторы», — отмечает профессор Ванг. Способность батареи выдерживать циклы зарядки и разрядки до снижения ее емкости называется циклической стабильностью, и чем она выше, тем дольше устройство может сохранять свою энергоемкость. Высокая циклическая стабильность Li-S батарей делает их особенно перспективными для электромобилей и систем возобновляемой энергии.
В обычной литий-серной батарее катод, содержащий серу, взаимодействует с литиевым анодом через электролит — вещество, которое проводит ионы между двумя полюсами. Однако при зарядке и разрядке аккумулятора литий и сера образуют растворимые полисульфиды, которые могут проникать в электролит и разрушать катод, снижая емкость устройства. Этот процесс, известный как растворение полисульфидов, ограничивал долговечность Li-S батарей и мешал их широкому использованию.
Группа Ванга решила эту проблему, используя гибридный полимерный катод с несколькими связями серы, способными к быстрой рекомбинации и адсорбции ионов лития на молекулярном уровне. По словам Ванга, их катод «использует несколько связей серы, адсорбцию атомов и быструю транспортировку ионов лития, что позволяет эффективно улавливать и ре-адсорбировать не связанные полисульфиды, продлевая срок службы батареи».
Одним из важнейших преимуществ Li-S батарей является их экономическая эффективность. Они значительно дешевле в производстве по сравнению с литий-ионными аккумуляторами, а также обладают более высокой емкостью, что делает их перспективными для широкого использования. По словам Ванга, его команде удалось разработать батарею, которая способна обеспечить высокий уровень энергоемкости, стабильности и долговечности.
«На протяжении многих лет научное сообщество искало способы минимизировать негативные последствия растворения полисульфидов. Теперь, благодаря нашему решению, литий-серные аккумуляторы смогут выдерживать значительно больше циклов зарядки и разрядки, что делает их оптимальным вариантом для электромобилей и других устройств, требующих высокой емкости и надежности», — добавил Ванг.
Кстати, недавно эксперты предсказали, что к 2030 году электромобили будут стоить так же, как и обычные.
