Полимерный сетевой катод может стать ключом к созданию недорогих аккумуляторов для электромобилей

Литий-серные батареи никогда не реализовывали свой потенциал в качестве следующего поколения возобновляемых батарей для электромобилей и других устройств. Но инженер-механик SMU Дунхай Ван и его исследовательская группа нашли способ сделать эти батареи Li-S более долговечными — с более высоким уровнем энергии — чем существующие возобновляемые батареи.

Исследовательской группе удалось предотвратить возникновение в аккумуляторах Li-S нежелательного побочного эффекта, известного как растворение полисульфида, которое со временем сокращает срок их службы.

«Этот прорыв может привести к созданию более прочных и долговечных аккумуляторов», — сказал Ван, заведующий кафедрой машиностроения Brown Foundation и профессор машиностроения в SMU Lyle. Его исследования сосредоточены на проектировании и синтезе наноструктурированных функциональных материалов и технологий хранения энергии, таких как литий-ионные аккумуляторы, а также за пределами литий-ионной технологии.

Исследование , опубликованное в журнале Nature Sustainability, показывает, что недавно разработанный командой гибридный полимерный сетевой катод позволяет батареям Li-S выдавать более 900 мАч/г (миллиампер-часов на грамм массы) по сравнению с типичной емкостью 150–250 мАч/г в литий-ионных батареях. Это означает, что он может сохранить гораздо больше электроэнергии.

«Он также обеспечивает превосходную устойчивость к циклированию, превосходя по показателям обычные литий-серные аккумуляторы », — сказал Ван.

Емкость циклов измеряет количество раз, которое аккумулятор может заряжаться и разряжаться, прежде чем его емкость резко ухудшится. Более высокая емкость циклов означает более длительный срок службы аккумулятора.

Помощь Вангу в проектировании катода оказывали исследователи из Университета штата Пенсильвания, Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории, Брукхейвенской национальной лаборатории, Иллинойсского университета в Чикаго и Аргоннской национальной лаборатории.

Экономически эффективное решение, обеспечивающее больше энергии

Что делает Li-S-аккумуляторы столь перспективными в качестве источника возобновляемой энергии, так это то, что они более экономичны и могут хранить больше энергии, чем традиционные ионные аккумуляторные батареи.

Однако с этими батареями связана одна существенная проблема.

«На протяжении многих лет специалисты по аккумуляторам пытались смягчить негативные последствия растворения полисульфида», — сказал Ван.

Все батареи имеют положительный и отрицательный полюса. Внутри батареи химическая реакция, которая непрерывно происходит между этими двумя полюсами, обеспечивает питание или электричество для батареи.

В случае аккумуляторов Li-S серосодержащий положительный электрод или терминал, называемый катодом, соединен с литий-металлическим отрицательным электродом, называемым анодом. Между этими компонентами находится электролит, или вещество, которое позволяет ионам проходить между двумя концами аккумулятора.

Однако сера — далеко не идеальный материал для электрода.

Когда ионы лития связываются с атомами серы на катоде, они создают растворимые молекулы полисульфида, которые дрейфуют в электролит, вызывая деградацию катода и снижая способность аккумулятора выдерживать многократные циклы зарядки. Это известно как растворение полисульфида.

Ван и его команда нашли способ решить эту проблему, используя так называемый гибридный полимерный сетевой катод.

«Наш катод использует множественные серные связующие связи, атомную адсорбцию и быстрый литий-ионный/электронный транспорт на молекулярном уровне», — пояснил Ван. «Эта комбинация позволяет в реальном времени повторно связывать и адсорбировать любые несвязанные виды серы, тем самым эффективно устраняя растворимые полисульфиды и продлевая срок службы аккумулятора».