Ученые давно экспериментируют с литий-серными аккумуляторами, которые могут быть в пять раз вместительнее современных литий-ионных батарей. Увы, до сих пор такие батареи были очень недолговечны. Но это удалось исправить при помощи сахара.
Ученые в Австралии разработали новый прототип многообещающей литий-серной батареи, в состав которой входит сахар. Это позволило повысить живучесть аккумулятора. Прототип пережил более 1000 циклов заряд-разряда без потери свойств.
Как это работает?
Положительный серный электрод литий-серной батареи расширяется и сжимается во время зарядки. Из-за этого он подвергается значительной нагрузке и разрушается. Отрицательный электрод тем временем загрязняется соединениями серы.
Еще в прошлом году команда исследователей аккумуляторов из Университета Монаша в Мельбурне (Австралия) придумала решение половины этой проблемы. Они разработали специальный связующий агент, который создает дополнительное пространство вокруг частиц серы. Благодаря этому у них имеется больше места для безопасного расширения во время зарядки. Результатом этого стала литий-серная батарея большой емкости, способная пережить более 200 циклов заряд-разряда.
Теперь ученые нацелились на вторую половину проблемы - загрязнение отрицательного литиевого электрода серой. Прорыв уходит корнями в очень старое геологическое исследование 1988 года. Оно показало, что некоторые вещества на основе сахара могут предотвратить деградацию в геологических отложениях, облегчая связи между сульфидами.
Цель состояла в том, чтобы применить старое открытие к литий-серной батарее. Это позволило бы предотвратить формирование серных наростов на отрицательном электроде.
Команда ввела добавку на основе сахара в сетчатую архитектуру электрода, которая действует как связующее вещество и образует тканеподобные микроструктуры, которые помогают регулировать поведение липких полисульфидов. Экспериментальная батарея, включающая сахарную добавку, продемонстрировала плотность энергии около 700 мА·ч на грамм, которая сохранялась в течение 1000 циклов.
Почему это важно?
Человечество остро нуждается в емких батареях. И новая разработка может удовлетворить эту потребность. Кажется, что 1000 циклов заряд-разряда - не так уж много. Но это почти три года службы, если заряжать батарею каждый день. Поскольку же емкость литий-серного аккумулятора в пять раз выше, чем у литий-ионного, то заряжать его нужно в пять раз реже. Если сегодня вы заряжаете свой смартфон раз в один-два дня, то с новым аккумулятором заряда в нем хватало бы на неделю. А 1000 недель - это чуть больше 19 лет. Технические характеристики любого гаджета устареют намного раньше, чем аккумулятор начнет демонстрировать первые признаки деградации.
Конечно, пройдет еще некоторое время, прежде чем литий-серные аккумуляторы доберутся до наших гаджетов и электромобилей. Но когда это произойдет, наша электроника станет намного более живучей и долговечной.
Исследование опубликовано в журнале Nature Communications.
