Южнокорейские учёные представили новую методику синтеза катодных материалов для литий–серных аккумуляторов, которая приближает появление энергоёмких и долговечных источников питания для электромобилей, стационарных систем накопления энергии и носимой электроники. Исследовательская группа разработала концепцию dual-level engineering, объединяющую макро- и микроуровневое проектирование металлоорганических каркасных структур (MOF) с последующим формированием иерархически пористых углеродных нановолокон, в которые внедрены одиночные атомы кобальта в низкокоординированной конфигурации Co–N3.
Хотя литий–серные аккумуляторы теоретически обладают более высокой удельной ёмкостью и энергетической плотностью по сравнению с традиционными литий-ионными, их практическое применение сдерживают несколько серьёзных ограничений. В первую очередь это «шаттл-эффект» растворимых литиевых полисульфидов, приводящий к потере активного вещества, замедленные электрохимические реакции и резкое падение ёмкости при многократных циклах разрядки и зарядки. Как подчёркивает профессор Сын-Кюн Пак из департамента передовых материалов, команда фокусировалась на комплексном оптимизировании углеродной матрицы и точечном контроле каталитических центров на атомарном уровне.
По мнению авторов, одиночные атомы металлов, стабилизированные в углеродной матрице через металл–азотные координационные узлы, открывают перспективы для литий–серных систем: они активируют электрохимические реакции и ограничивают растворение полисульфидов. Однако для раскрытия всего потенциала таких центров необходима синхронная настройка пористой структуры углеродного носителя и химической среды вокруг каталитических узлов.
Созданная иерархическая пористая структура обеспечивает улучшенную ионную проводимость и повышенную смачиваемость электролитом, а также оптимизирует транспорт активных компонентов внутри электрода. Одновременно диспергированные в углеродной матрице атомы кобальта в конфигурации N3 усиливают адсорбцию литиевых полисульфидов и ускоряют их преобразование, что существенно ослабляет шаттл-эффект и повышает циклическую стабильность катода. Согласно результатам испытаний, такая синергия структурной архитектуры и активных центров обеспечивает высокую сохранность ёмкости и улучшенные скоростные характеристики на протяжении сотен циклов.
Ещё одним практическим плюсом нового материала является его свободно стоящая и гибкая конструкция: пористый нановолокнистый слой не нуждается в полимерных связующих и металлических токосъёмах, что позволяет использовать его как самостоятельный элемент аккумуляторной ячейки и интегрировать в модульные сборки. По словам доктора Нам, материал сохранил механическую прочность при изгибе и продемонстрировал возможность питания маломощных устройств, что свидетельствует о готовности технологии к промышленной реализации.
В плане применения разработка ориентирована на литий–серные аккумуляторы с высокой плотностью энергии, которые потенциально позволят электромобилям увеличить пробег без значительного роста массы батарей, а также обеспечат эффективное аккумулирование энергии из возобновляемых источников для сглаживания колебаний выработки солнечной и ветровой генерации. Дополнительным преимуществом лёгкие и гибкие материалы открывают перспективы для портативной электроники и носимых устройств, где важны компактность и стойкость к механическим нагрузкам.
Авторы подчёркивают, что предложенный подход dual-level engineering не является единичным экспериментом, а демонстрирует воспроизводимую методику «интеллектуального» проектирования материалов: от селекции пористых углеродных каркасов до атомарной настройки каталитических узлов. По их оценке, дальнейшее развитие подобных решений поможет повысить безопасность и эффективность аккумуляторов, сократить потребление дефицитных компонентов, снизить стоимость накопления энергии и расширить доступность чистых технологий.
Источник: iXBT
