Группа исследователей из Мичиганского университета разработала новый тип литий-серной батареи. Для этого они использовали свойства арамидных нановолокон, чтобы значительно улучшить характеристики стандартных литий-серных батарей.
По словам ученых, созданная таким образом батарея приближается к теоретическим пределам емкости аккумулятора. Срок службы также увеличится — теоретически до 3500 циклов зарядки. Однако в реальной жизни, по их словам, этот показатель, скорее всего, будет меньше, поэтому он будет ближе к 1000 циклам. Напомним, что максимальное количество "циклов" для аккумулятора — это количество раз, которое он может быть полностью заряжен и разряжен, прежде чем выйдет из строя или потеряет емкость.
Также утверждается, что он термостойкий, до 80 °C, что делает его идеальным кандидатом, например, для разработок в области электромобилей. В пресс-релизе Мичиганского университета говорится, что это позволит увеличить дальность хода электромобилей в пять раз. Их новая система батарей, похоже, решает несколько повторяющихся проблем существующих литий-серных батарей.
Как отмечают ученые в своей работе, опубликованной в журнале Nature communications, "высокая теоретическая удельная емкость 1675 мАч г-1, экологическая чистота и земное изобилие элементов литий-серной батареи делают ее привлекательной платформой для хранения энергии в различных технологических областях — от электромобилей и робототехники до энергосетей и аэрокосмической техники". Однако этот тип батарей также сталкивается с несколькими ключевыми проблемами, которые значительно ограничивают их возможности.
Во-первых, "дендриты". В аккумуляторе дендриты — это небольшие наросты, которые образуются в результате осаждения лития во время циклов разряда и перезаряда. Они могут вызвать перегрев или даже короткое замыкание, когда вырастают достаточно большими, чтобы соединить анод и катод (клеммы "+" и "-" в цепи).
Ранее исследовательской группе уже удалось преодолеть эту проблему с помощью разделительной мембраны из арамидных нановолокон. Прочность этих волокон способна предотвратить образование дендритов. Ученые отмечают, что "поры", оставленные этим материалом, имеют размер 1 нанометр, в то время как дендриты имеют длину 300 нанометров: разница, которая также эффективно блокирует их развитие. Эта мембрана имеет структуру, похожую на хрящ, что и послужило поводом для ее использования.
Другая проблема заключается в том, что диффузия полисульфида лития от катода к аноду резко снижает его емкость. Это связано с тем, что принцип работы литий-ионной батареи заключается в ионном обмене. Это означает, что ионы лития должны иметь возможность свободно перемещаться от катода к аноду и обратно. Однако не только они перемещаются в батарее. Небольшие молекулы лития и серы, называемые полисульфидами лития, также образуются и устремляются к литию. Они прикрепляются к батарее и снижают ее емкость.
Чтобы противостоять этому, ученые снова полагаются на свою знаменитую мембрану из арамидных нановолокон. Во-первых, 1-микрометровые поры обеспечивают очень узкие "проходы" и снижают способность полисульфидов проскальзывать через них. Но это еще не все. Ученые также заряжают мембрану, используя свойства молекул полисульфида. Они заряжены отрицательно и имеют тенденцию связываться с мембраной. Поэтому они образуют дополнительный "слой", который отталкивает другие молекулы того же типа, в то время как положительно заряженные ионы лития могут беспрепятственно проходить через них.
Эта мембрана, расположенная последовательными слоями, довольно тонкая. Еще одним преимуществом, по мнению ученых, является то, что он оставляет больше места для других частей батареи, тем самым увеличивая ее емкость. Наконец, они говорят, что арамидные нановолокна довольно легко производить или даже перерабатывать из кевларовых предметов, таких как пуленепробиваемые жилеты.
"Достижение рекордных уровней по нескольким параметрам и по нескольким свойствам материала — это то, что сейчас необходимо для автомобильных батарей", — сказал Николас Котов, возглавлявший исследование. "Это немного похоже на гимнастику на Олимпийских играх — ты должен быть "идеальным" во всех отношениях".