Современные литий-ионные аккумуляторы давно достигли предела своего развития и их пора менять на что-то новое. Один из вариантов - литий-серные батареи. При равном весе и объеме, такие аккумуляторы могли бы хранить в разы больше энергии, чем литий-ионные. Увы, до сих пор они оставались очень ненадежными и портились спустя всего несколько циклов заряд-разряда. Но ученым из Японии удалось это исправить.
Литий-серные батареи
По сравнению с литий-ионными батареями, питающими большинство современной электроники, литий-серные батареи могут вмещать до пяти раз больше энергии. Плотность энергии - ключевая проблема для электромобилей, электрических грузовиков и самолетов.
«Литий-серные батареи могут накапливать больше энергии, чем литий-ионные батареи, которые уже имеются в продаже. Если говорить о конкретных цифрах, электромобиль, который работает на литий-ионных батареях, может проехать в среднем 300 км. С литий-серными батареями дальность его хода можно увеличить до 500 км», - говорит доктор Хуэй Чжан, автор нового исследования.
Хотя потенциал литий-серных батарей очевиден, существует ряд проблем, связанных с их стабильностью - они попросту слишком быстро выходят из строя. Ученые-материаловеды из Окинавского института науки и техники решили эту проблему при помощи особой губчатой структуры.
Скорость химической реакции
Внутри литий-серной батареи химическая реакция между литием и серой создает полисульфид лития, который затем быстро растворяется. В идеальной литий-серной батарее полисульфид лития должен превращаться в сульфид лития как можно быстрее. От скорости этой реакции зависит долговечность аккумулятора.
Чтобы ускорить процесс, ученые создали наноразмерную пористую губку из углеродных нанотрубок и покрыли ее нитридом титана и диоксидом титана. Нитрид титана ускоряет превращения полисульфида лития в конечный продукт, в то время как диоксид титана поглощает любые нежелательные полисульфиды, которые образуются в процессе.
«Используя эти два материала, мы создали гибрид, который является недорогим и простым в применении. Мы обнаружили, что он обладает отличной способностью улучшать работу батареи», - говорит доктор Луис Оно, соавтор исследования.
Полученная батарея показала улучшенную производительность по сравнению с версиями без гибридного губчатого материала. Она быстрее заряжается, имеет более высокую емкость и долгую продолжительность жизни. Тесты показали, что аккумулятор выдерживает 200 циклов заряд-разряда без потерь эффективности.
«Мы продолжим оптимизировать материалы, чтобы улучшить разработку. Множество блестящих умов работает над литий-серными батареями. Это многообещающая и захватывающая технология», - говорит профессор Ябин Ци, старший автор исследования.
Исследование опубликовано в журнале Nature Communications.
