Плетёный катод стабилизирует работу литий-серных батарей

Исследователи и технологическая индустрия видят в литий-серных (Li-S) батареях будущего преемника литий-ионных, поскольку они теоретически позволяют увеличить энергоёмкость портативных источников питания в 5-10 раз. Литий-серные технологии стали важным слагаемым рекорда, установленного британским электросамолетом с солнечными элементами в 2008 г. Zephyr-6 находился в воздухе более трёх суток, и именно литий-серные батареи обеспечивали его двигателям питание в ночное время.

Однако на пути коммерциализации этой перспективной технологии стоит существенное препятствие: батареи Li-S утрачивают свою превосходную ёмкость всего за несколько циклов перезарядки. Это происходит по причине быстрой потери электродом серы, скапливающейся в электролите в виде промежуточных продуктов, так называемых полисульфидов.

Многие годы учёные стараются стабилизировать реакцию, протекающую внутри литий-серной батареи, но в большинстве случаев предлагаемые меры ведут к усложнению производственного процесса или к увеличению содержания в устройстве дорогостоящих материалов.

В новой статье, которая вышла в журнале Applied Materials and Interfaces, исследователи Инженерного колледжа Дрексельского университета (штат Пенсильвания), предложили метод, не только удерживающий полисульфиды, но также уменьшающий общий вес батареи и сокращающий время её изготовления.

«Мы создали отдельно стоящий пористый мат из нановолокон моноксида титана в качестве базового катодного материала для литий-серных батарей», — сообщил главный автор работы, адъюнкт-профессор Вибха Кальра (Vibha Kalra).

Электрод с такой плетёной основой имеет высокую электропроводность и может привлекать и удерживать полисульфиды сильными химическими взаимодействиями, обеспечивая сохранение впечатляющих показателей литий-серных батарей на протяжении сотен циклов.

Авторы также продемонстрировали, что их решение позволяет отказаться от использования материалов-наполнителей (биндеров) и коллектора тока, уменьшая вес катода на 30–50%.

В лаборатории Кальры была разработана технология быстрого нанесения расплавленной серы основу из нановолокон при повышенном давлении и температуре 140 °C. Таким методом серный катод создаётся примерно за пять секунд, вместо половины дня по сегодняшним стандартам, и без применения токсичных химикатов.

Дрексельская группа продолжает работу над улучшением циклической устойчивости своих литий-серных катодов, снижением их себестоимости и уменьшением образования полисульфидов.