Арамидная мембрана увеличит емкость батарей в 5 раз

17 январь, 2022 - 12:35

Новая мембрана, конструкция которой подсказана природой, позволила батарее с ёмкостью в пять раз выше, чем у стандартной литий-ионной, выдерживать более тысячи циклов перезарядки, что соответствует 10 годам типичной эксплуатации электромобиля.
 
Как показала команда из Мичиганского университета (U-M), переплетение арамидных волокон, получаемых из кевлара, позволяет избавить литий-серные батареи от их главного недостатка – низкой циклической устойчивости.
 
«Есть ряд отчётов о нескольких сотнях циклов для литий-серных аккумуляторов, но это достигается ценой ухудшения других аспектов – ёмкости, скорости зарядки, отказоустойчивости и безопасности. Проблема сейчас в том, чтобы увеличить количество циклов батареи с прежних 10 до сотен циклов и удовлетворить множеству других требований, включая стоимость», – заявил Николас Котов (Nicholas Kotov), заслуженный профессор химических наук и инженерии U-M, который руководил данным исследованием.

Высокая прочность арамидных волокон делает мембрану непреодолимой для дендритов, которые благодаря этому не могут вызвать короткое замыкание и вывести аккумулятор из строя. Однако новая конструкция, повторяющая строение биологических ионных мембран, устраняет ещё одну проблему литий-серных батарей: она не пропускает небольшие молекулы полисульфидов лития, не позволяя им снижать ёмкость аккумулятора.

Это дополнительное свойство новой мембраны называется ионной селективностью. Положительно заряженные ионы лития свободно проходят сквозь неё, но отрицательно заряженные полисульфиды накапливаются в порах арамидной мембраны и создают электрическое поле, отталкивающее анионы полисулифидов лития, образующиеся на серном электроде.
 
По мнению Котова, добавление арамидной мембраны делает конструкцию «практически идеальной», с ёмкостью и эффективностью, приближающимися к теоретическому пределу. Она также может выдерживать экстремальные температуры автомобильной жизни, от жары при зарядке в солнечный день до зимнего холода.
 
Помимо рабочих характеристик литий-серные батареи выгодно отличает от литий-ионных доступность и экологическая безопасность используемых в них материалов. Серы в природе гораздо больше, чем кобальта, а арамидные волокна для мембраны можно легко и недорого получать путём переработки списанных бронежилетов.
 
Мичиганский университет уже получил патент на арамидную мембрану, а Котов создаёт компанию для продвижения этой технологии на коммерческий рынок.