Розділи
Матеріали

Інженери створили "ідеальні" літій-сірчані акумулятори: у чому їхні переваги

Фото: Facebook | Керівник дослідження Чжен Чен налаштовує батарею

Сірчані електроди забезпечують високу густину енергії, проте швидко розчиняються під час роботи. Вчені отримали електроліт, який усуває цю проблему.

Американські інженери з Каліфорнійського університету Сан-Дієго розробили літій-іонні акумулятори, які витримують екстремальні температури. Подробиці дослідження розкрили на офіційному сайті наукової установи.

Учені отримали універсальний електроліт — речовину, що проводить електричний струм при розпаді молекул на іони, який не руйнується під упливом дуже сильної спекотної та холодної погоди, а також сумісний із високоенергетичними електродами (анодом і катодом). Його виготовили з рідкого розчину дибутилового ефіру, змішаного з літієм у вигляді солі. Молекули такого спирту слабо зв'язуються з іонами літію, тому електроліту простіше віддавати частки під час роботи батареї. Електроліт покращує роботу обох електродів, зберігаючи високу провідність і стабільність між фазами.

Дибутиловий ефір підвищує продуктивність за низьких температур і легко витримує тепло завдяки високій температурі кипіння — 141 градус за Цельсієм. Під час випробувань прототипи витримали температуру від -40 до 50 градусів за Цельсієм, зберігши при цьому 87,5% і 115,9% енергоємності відповідно. У батарей також зафіксували високий кулонівський ККД (98,2% і 98,7%), що вказує на те, що вони можуть витримати більше циклів зарядки та розрядки, перш ніж вони перестануть працювати.

Випробування літій-сірчаної батареї при низькій температурі в холодильнику
Фото: Facebook
Випробування літій-сірчаної батареї у духовці за високої температури

Як розповів керівник проєкту професор наноінженерії Чжен Чен, нова технологія дозволить електромобілям не втрачати заряд у холодну погоду й далі проїхати, а також знизити потужність систем охолодження. Як правило, акумулятори розташовуються дуже близько до днища транспортних засобів, через що вони додатково нагріваються від гарячих доріг у спекотному кліматі.

"Крім того, батареї нагріваються просто від того, що під час роботи проходить струм. Якщо акумулятори не витримають такого прогріву за високої температури, їхня продуктивність швидко погіршиться", — пояснив Чен.

Електроліт можна використовувати в літій-сірчаних батареях, у яких анод складається з металевого літію, а катод — із сірки. Такі акумулятори обіцяють вищу щільність енергії — майже вдвічі вищу за традиційні літій-іонні батареї та при цьому значно дешевші. Завдяки цьому можна змусити електроніку й електродвигуни працювати вдвічі довше, не збільшуючи вагу машини. Сірку набагато простіше добувати, ніж кобальт, який виступає електродами у звичайних батареях.

Проблема літій-сірчаних акумуляторів полягає в надреактивності катода й анода — вони просто розчиняються в електроліті під час роботи, і процес прискорюється при високих температурах. Літій-металеві аноди схильні до утворення голчастих структур під назвою дендрити, здатних пробивати частини батареї, викликаючи коротке замикання. У результаті літій-сірчані батареї працюють лише кілька десятків циклів.

Тому команда розробила сірчаний катод, прищепивши його до полімеру для більшої стабільності. Це запобігає розчиненню сірки в електроліті. Надалі вчені планують масштабувати хімічний склад батареї, оптимізувати її для роботи за ще вищих температур і збільшити термін служби.

"Якщо вам потрібна батарея з високою щільністю енергії, вам зазвичай слід використовувати дуже жорстку та складну хімію. Висока енергія означає, що відбувається більше реакцій, що означає меншу стабільність, більшу деградацію. Створення стабільної високоенергетичної батареї є складним завданням, а спроба зробити це в широкому діапазоні температур ще складніше", — зазначив керівник дослідження.

Раніше вчені створили надійну натрієву батарею для заміни літієвих. Вони змогли виправити головні недоліки технології — короткий термін служби та низьку щільність зберігання енергії.

Інша група вчених зібрала "живий" акумулятор із бактеріями, які тижнями створюють електрику для пристроїв. Вони об'єднали в одній камері кілька видів мікроорганізмів, що виконують різні завдання та підтримують одне одного.