Литий-серные батареи вышли на новый уровень: плотность энергии достигла 477 Вт·ч/кг

Специалисты из Университета Мэриленда совместно с коллегами из Университета Вандербильта предложили инновационный подход к созданию литий-серных батарей. Новая электрохимическая схема вовлекает серу в дополнительную реакцию, что существенно повышает энергоэффективность накопителя. В ходе лабораторных испытаний удельная емкость катодного материала превысила рекордные 1700 Вт·ч/кг.

В классических литий-серных элементах питания цикл заряда и разряда базируется на обмене двумя электронами на каждый атом серы. Физикам и химикам удалось активировать скрытый ресурс элемента: благодаря введению хлора они инициировали задействование третьего электрона.

Подобное усовершенствование одновременно подняло емкостные характеристики и рабочее напряжение. Эксперименты показали скачок емкости серы примерно на 58%, тогда как средний показатель напряжения увеличился с 2,05 до 2,54 В. В итоге килограмм серного компонента в инновационной архитектуре способен удерживать свыше 1700 Вт·ч энергии.

Стоит учитывать, что эта цифра характеризует исключительно активный ингредиент, а не готовую батарею в сборе. С учетом веса всех сопутствующих элементов аккумуляторной ячейки прогнозируемая удельная плотность энергии составит около 477 Вт·ч/кг. Это примерно на 37% превосходит параметры стандартных литий-серных аналогов, с которыми проводилось сопоставление.

Ключевым препятствием на пути разработчиков была задача обратимости открытого процесса. Хлор должен вступать в контакт с серой при заряжании, но образующийся хлорсодержащий продукт не должен растворяться в жидком электролите и мигрировать к литиевому электроду, провоцируя разрушительные побочные реакции.

Преодолеть этот барьер помогли методы компьютерного моделирования, с помощью которых был сконструирован специализированный электролит. Полученная среда удерживает хлориды в активной зоне для взаимодействия с серой, предотвращая растворение промежуточных соединений и фиксируя их в структуре катода. Данные спектроскопии документально подтвердили, что сера успешно и многократно меняет свое химическое состояние на протяжении множества циклов.

Научная группа также изготовила опытный образец аккумулятора пакетного формата (pouch cell), выйдя за рамки микроскопических лабораторных макетов. После сотни рабочих циклов устройство сохранило 78% изначальной емкости. Тем не менее, о скором выходе на рынок говорить преждевременно: в конструкции задействован металлический литий, концентрация серы пока невелика, а объем электролита избыточен для серийного производства.

Перспективность литий-серных систем обусловлена колоссальным потенциалом емкости серы, ее дешевизной и повсеместной доступностью. Если трехэлектронный метод удастся масштабировать для создания стабильных коммерческих аккумуляторов, это откроет дорогу к беспрецедентному росту энергоемкости без необходимости применять дорогие катодные компоненты.

Источник: iXBT