Высококачественные перезаряжаемые батареи необходимы для устойчивого удовлетворения растущих мировых потребностей в энергии, но не все они хороши. Литий-серные батареи являются многообещающими кандидатами для следующего поколения этих источников энергии, поскольку они могут хранить больше энергии, чем другие аккумуляторные батареи. Но присущая им нестабильность является ключевым препятствием на пути их широкого распространения.
Исследователи из отдела энергетических материалов и наук Окинавского института науки и технологий предложили многообещающее решение этой проблемы путем интеграции нового губчатого материала, который позволяет прототипу литий-серной батареи безопасно выдерживать сотни циклов.
«Литий-серные батареи могут хранить больше энергии, чем литий-ионные батареи, которые уже имеются в продаже», - сказал доктор Хуэй Чжан, автор исследования. «Чтобы выразить это в цифрах, электромобиль , работающий на литий-ионных батареях, может проехать в среднем 300 км до того, как его потребуется зарядить. Благодаря улучшенному накоплению энергии, обеспечиваемому литий-серными батареями, можно будет увеличить это расстояние до 500 км».
Чтобы литий-серные батареи стали легкодоступными, необходимо решить общую проблему растворения во время их строительства. Во время строительства батареи сера будет реагировать с литием с образованием продукта. В результате химической реакции между литием и серой сначала образуется полисульфид лития, который затем может легко растворяться в полисульфиды. Если это произойдет, полисульфиды ухудшат характеристики батареи, что приведет к значительному сокращению ее срока службы.
Чтобы оптимизировать работу батарей, полисульфид лития должен как можно быстрее превратиться в конечный продукт - персульфид лития (Li2S2) или сульфид лития (Li2S). Для этого исследователи создали структуру, которая могла ускорить процесс реакции и поглотить нежелательные полисульфиды. Они использовали каркас углеродных нанотрубок (CNT) и покрыли его нитридом титана (TiN) и диоксидом титана (TiO2). TiN действует как материал, поглощающий любые нежелательные полисульфиды, которые образуются в процессе, тогда как TiO2 ускоряет превращение полисульфидов лития в конечные продукты - Li2S2 или Li2S.
«С помощью этих двух материалов, мы разработали гибрид, который обладает низкой стоимостью и прост в применении», - сказал д - р Луис Ono, второй автор данного исследования. «Мы обнаружили, что у него отличная способность повышать производительность батареи».
Благодаря абсорбции полисульфидов и ускорению всего процесса производительность батареи была значительно улучшена по сравнению с версиями без гибридного губчатого материала. Это привело к сокращению времени зарядки, увеличению срока службы без подзарядки благодаря высокой удельной емкости и увеличению общего срока службы. Чтобы установить это, исследователи проработали батарею 200 циклов и обнаружили, что ее эффективность практически не изменилась.
