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

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.

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.