Инженеры американского института NIST (National Institute of Standards and Technology), Аризонского университета в Таксоне и Сеульского национального университета (Корея) нашли способ совместить широко распространенные ингредиенты в конструкции недорогой литий-серной батареи, способной выдерживать сотни циклов без ущерба для функциональности.

Батареи работают за счет переноса положительных ионов между двумя электродами – анодом и катодом – при этом электроны протыкают через цепь и и производят полезную работу. Литий-ионные батареи для накопления ионов нуждаются в объемных катодах, обычно изготовляемых из керамических окислов, наподобие оксида кобальта, это ограничивает их энергоемкость, делая малопригодными для интенсивных приложений, таких как электромобили.

Катоды литий-серных батарей сделаны в основном из серы, дешевого материала, идущего в отходы при перегонке нефти. Сера весит вдвое меньше кобальта и может поглощать вдвое больше ионов лития на единицу объема.

Однако, превосходя литий-ионные по энергоемкости в несколько раз, литий-серные батареи имеют свои недостатки. Сера легко вступает в реакцию с литием, образуя соединение, которое кристаллизуется склеивая внутренности батареи, так что она растрескивается и выходит из строя после всего лишь пары десятков перезарядок.

Для того, чтобы стабилизировать катод, исследовательский коллектив нагревал серу до температуры 185°C, при которой восьмизвенные кольца этого элемента распадались и образовывались длинные цепочки. Затем, серные цепочки смешивали с DIB – пластическим материалом на базе углерода – получая, так называемый сополимер.

Ученые назвали предложенный производственный процесс обратной вулканизацией, так как он напоминает технологию получения каучуковых покрышек, с одним существенным отличием: там углеродные материалы составляют основную массу, а сера лишь набрызгивается на них.

Добавление DIB защищает катод от растрескивания и подавляет кристаллизацию серной-литиевых соединений. Опытным путем было установлено, что оптимальная доля DIB составляет от 10 до 20 массовых процентов. Подобным образом улучшенная батарея выдерживала 500 циклов перезарядки – ее емкость в результате снижалась менее, чем наполовину.

Как отмечает специалист по материаловедению из NIST, Кристофер Соулз (Christopher Soles), характеристики новой батареи делают ее вполне конкурентоспособной на современном рынке: «Пять сотен циклов при той емкости, что была продемонстрирована, это определенно лучше, того, что установлено в вашем лэптопе».

Несмотря на простоту получения – для этого требуются легкодоступные материалы и незначительное нагревание – не стоит ожидать немедленного появления литий-серных батареек на полках магазинов. Литий имеет тенденцию возгораться при соприкосновении с воздухом, поэтому серные батареи должны пройти исчерпывающие испытания на безопасность эксплуатации прежде чем будет получено разрешение вывести их на коммерческий рынок.

Ready, set, buy! Посібник для початківців - як придбати Copilot для Microsoft 365