Инженеры создали "идеальные" литий-серные аккумуляторы: в чем их преимущества

Чжэн Чен, батарея
Фото: Facebook | Руководитель исследования Чжэн Чен настраивает батарею

Серные электроды обеспечивают высокую плотность энергии, однако быстро растворяются во время работы. Ученые получили электролит, который устраняет эту проблему.

Related video

Американские инженеры из Калифорнийского университета в Сан-Диего разработали литий-ионные аккумуляторы, которые выдерживают экстремальные температуры. Подробности исследования раскрыли на официальном сайте научного учреждения.

Ученые получили универсальный электролит — вещество, проводящее электрический ток при распаде молекул на ионы, который не разрушается по воздействием очень сильные жару и холод, а также совместим с высокоэнергетическими электродами (анодом и катодом). Его изготовили из жидкого раствора дибутилового эфира, смешанного с литием в виде соли. Молекулы такого спирта слабо связываются с ионами лития, а потому электролиту проще отдавать частицы во время работы батареи. Электролит улучшает работу обоих электродов, сохраняя высокую проводимость и стабильность между фазами.

Дибутиловый эфир повышает производительность при низких температурах и легко выдерживает тепло благодаря высокой температуре кипения — 141 градус Цельсия. Во время испытаний прототипы выдержали температуру от -40 до 50 градусов Цельсия, сохранив при этом 87,5% и 115,9% энергоемкости соответственно. У батарей также зафиксировали высокий кулоновский КПД (98,2% и 98,7%), указывающий, что они могут выдержать больше циклов зарядки и разрядки, прежде чем они перестанут работать.

Литий-серная батарея Fullscreen
Испытание литий-серной батареи при низкой температуре в холодильнике
Фото: Facebook
Литий-серная батарея Fullscreen
Испытание литий-серной батареи в духовке при высокой температуре

Как рассказал руководитель проекта профессор наноинженерии Чжэн Чэн, новая технология позволит электромобилям не терять заряд в холодную погоду и дальше проехать, а также снизить мощность систем охлаждения. Как правило, аккумуляторы располагаются очень близко к днищу транспортных средств, из-за чего они дополнительно нагреваются от горячих дорог в жарком климате.

"Кроме того, батареи нагреваются просто от того, что во время работы проходит ток. Если аккумуляторы не выдержат такой прогрев при высокой температуре, их производительность быстро ухудшится", — объяснил Чэн.

Электролит можно использовать в литий-серных батареях, в которых анод состоит из металлического лития, а катод — из серы. Такие аккумуляторы обещают более высокую плотность энергии — почти в два раза выше традиционных литий-ионных и при этом значительно дешевле. Благодаря этому можно заставить электронику и электродвигатели работать в два раза дольше, не увеличивая вес машины. Серу намного проще добывать, чем кобальт, который выступает электродов в обычных батареях.

Проблема литий-серных аккумуляторов заключается в сверхреактивности катода и анода — они попросту растворяются в электролите во время работы, и процесс ускоряется при высоких температурах. Литий-металлические аноды склонны к образованию игольчатых структур под названием дендриты, способных пробивать части батареи, вызывая короткое замыкание. В результате литий-серные батареи работают только несколько десятков циклов.

Поэтому команда разработала серный катод, привив его к полимеру для большей стабильности. Это предотвращает растворение серы в электролите. В дальнейшем ученые планируют масштабировать химический состав батареи, оптимизировать ее для работы при еще более высоких температурах и увеличить срок службы.

"Если вам нужна батарея с высокой плотностью энергии, вам обычно следует использовать очень жесткую и сложную химию. Высокая энергия означает, что происходит больше реакций, что означает меньшую стабильность, большую деградацию. Создание стабильной высокоэнергетической батареи само по себе является сложной задачей, а попытка сделать это в широком диапазоне температур еще сложнее", — отметил руководитель исследования.

Ранее ученые создали надежную натриевую батарею для замены литиевых. Они смогли исправить главные недостатки технологии — короткий срок службы и низкую плотность хранения энергии.

Другая группа ученых собрала "живой" аккумулятор с бактериями, которые неделями создают электричество для устройств. Они объединили в одной камере несколько видов микроорганизмов, выполняющих разные задачи и поддерживающие друг друга.