Неожиданное открытие сулит 3-кратный рост ёмкости батарей гаджетов

Недавний прорыв исследователей из Инженерного колледжа Дрекселя (штат Пенсильвания), информация о котором обнародована в журнале Communications Chemistry, впервые обещает сделать высокоперспективную аккумуляторную технологию доступной для коммерческого использования.

До сих пор ввести серу в литиевую батарею мешала необратимая химическая реакция между так называемыми полисульфидами, и карбонатным электролитом. Эта реакция приводит к почти немедленному отказу батареи – уже после одного цикла эксплуатации.

Аккумуляторы Li-S демонстрируют исключительную производительность при использовании эфирного электролита. Он не вступает в реакцию с полисульфидами, но летуч и пожароопасен.

«Нашей основной целью было заменить эфир карбонатом, — сказал профессор Вибха Калра (Vibha Kalra), руководивший исследованием.  – Вместо того, чтобы затевать внедрение в промышленность нового электролита, мы хотели создать катод, который мог бы работать с уже существующим литий-ионным электролитом».

В надежде блокировать образование полисульфидов, команда попыталась связать серу в катодной основе из углеродных нановолокон, используя метод осаждения из газовой фазы. Этого достичь не удалось, зато получилось что-то совсем другое.

«В начавшихся испытаниях, — рассказывает Калра… – серный катод, который, по ожиданиям, должен был затормозить реакцию, вместо этого работал на удивление хорошо, снова и снова».

При дальнейшем исследовании выяснилось, что в процессе осаждения серы на поверхность углеродных нановолокон она кристаллизовалась неожиданным образом, образуя, так называемую моноклинную гамма-фазу. Эта химическая фаза серы, которая не вступает в реакцию с карбонатным электролитом, ранее создавалась только при высоких температурах в лабораториях, а в природе наблюдалась только в экстремальных условиях нефтяных скважин.

«Во всех предыдущих исследованиях моноклинная сера была нестабильна при температуре 95° С, — говорит Рахул Пай (Rahul Pai), докторант и соавтор исследования. – В тех немногочисленных опытах, в которых была получена моноклинная гамма-сера, она была стабильной не более 20-30 минут. Но мы создали её в катоде, который подвергался тысячам циклов зарядки-разрядки без снижения производительности!».

Новый серный катод остается стабильным даже по прошествии целого года испытаний. Как сообщает дрексельская команда, его производительность не ухудшилась за 4000 циклов зарядки-разрядки, что эквивалентно 10 годам типичной эксплуатации аккумулятора. И, как и предполагалось, энергоёмкость такой батареи оказалась в три раза выше, чем у литий-ионного аккумулятора.

«Мы все еще работаем над тем, чтобы понять точный механизм, обеспечивающий стабильность этой моноклинной серы при комнатной температуре, однако уже ясно, что это захватывающее открытие может создать множество возможностей для разработки более дружественных к окружающей среде и доступных аккумуляторных технологий», — сообщил Калра.

С заменой традиционного катода в литий-ионных батареях на серный исчезнет зависимость отрасли от ограниченных и проблемных месторождений кобальта, никеля и марганца. Калра также предполагает, что наличие стабильного серного катода станет той предпосылкой, которая позволит исследователям продвинуться вперед в поисках реальных альтернатив для литиевого анода, включающих более легкодоступные элементы, такие как натрий.

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