Учёные из Центра Гельмгольца в Берлине и Технического университета Берлина создали новый материал , способный значительно улучшить работу литий-серных аккумуляторов . Он построен на основе пористого полимера особого типа — радикально-катионного ковалентного органического каркаса (COF).
COF представляет собой новый вид кристаллического органического полимера. Его ключевые свойства — высокая пористость, возможность менять структуру под задачу, малая плотность и химическая стойкость. Эти особенности делают материал удобным для аккумуляторных технологий , где критична стабильность и долговечность. В испытаниях новый COF обеспечил работу батарей более чем на 1500 циклов с крайне низкой потерей ёмкости — около 0,027% на цикл. Это выше типичного предела в 1000 циклов для литий-серных элементов.
Главная проблема Li-S аккумуляторов связана с образованием полисульфидов в процессе зарядки и разрядки. Эти соединения растворяются, мигрируют внутри ячейки и резко ухудшают характеристики, приводя к быстрой деградации. Новый COF решает эту задачу: его пористая структура не только удерживает полисульфиды, но и превращает их обратно в активную серу.
Секрет в том, что в каркас встроены радикалы — молекулы с неспаренными электронами, которые ведут себя как крошечные катализаторы. В данном случае использованы радикалы на основе органосернистого соединения тетратиафульвалена (TTF). Полученный материал получил название R-TTF•+-COF. В нём тетратиафульваленовые звенья ([TTF]2•+) и радикальные анионы трисульфида (S3•−) соединены через бензотиазольные группы. Такое сочетание увеличивает проводимость и катализирует превращение полисульфидов.
Исследователи подробно изучили механизм работы материала. Для этого они применили методы твёрдофазной ЯМР-спектроскопии , электронного парамагнитного резонанса и теоретические расчёты. Выяснилось, что радикальные центры [TTF]2•+ связывают литийсодержащие полисульфиды (LiPS), ускоряют удлинение и разрыв связей серы, тем самым восстанавливая их в форму, пригодную для дальнейшей работы аккумулятора.
Эксперименты показали впечатляющую стабильность: батареи с новым катализатором проработали свыше 1500 циклов с минимальной потерей ёмкости. Это лучший результат для органических материалов подобного класса.
По словам авторов, интеграция таких радикальных структур в литий-серные аккумуляторы открывает большие перспективы. С их помощью можно не только продлить срок службы батарей, но и повысить их ёмкость, что важно для транспорта будущего — от электромобилей до электрических самолётов . В перспективе команда намерена модифицировать структуру радикалов, чтобы ещё больше улучшить характеристики.