Сразу две команды ученых независимо добились больших успехов в разработке литий-серных аккумуляторов. Каждая из групп занималась решением ключевых проблем коммерциализации этой технологии. Одна команда работала над усовершенствованием катодного материала, а другая разработала инновационный твёрдый электролит.
Повышение скорости зарядки
В первом исследовании команда под руководством профессора Чон-Сун Ю из Департамента энергетических наук и инженерии DGIST создала азот-допированный пористый углеродный материал, улучшающий скорость зарядки литий-серных батарей. Этот материал, полученный с использованием метода термического восстановления с добавлением магния, служит носителем серы в катоде аккумулятора. В результате батарея продемонстрировала выдающиеся характеристики, достигая ёмкости 705 мАч/г даже при полной зарядке всего за 12 минут.
Структура углерода, сформированная в результате реакции магния с азотом в ZIF-8 при высоких температурах, обеспечила более высокую загрузку серы и улучшенный контакт с электролитом. Это привело к увеличению ёмкости в 1,6 раза по сравнению с традиционными аккумуляторами при быстром заряде. Кроме того, азотное допирование эффективно подавляло миграцию полисульфидов лития, что позволило батарее сохранять 82 % своей ёмкости даже после 1 000 циклов зарядки и разрядки.
Совместные исследования с Аргоннской национальной лабораторией показали, что литий-сульфид встраивается в структуру пористого углерода в определённой ориентации, что подтвердило преимущества азотного допирования и пористой структуры в увеличении загрузки серы и ускорении реакций.
Повышение срока службы
Второе исследование, проведённое китайскими и немецкими учёными, сосредоточилось на создании твёрдого электролита, устраняющего проблему медленной химической реакции между ионами лития и элементарной серой. Этот электролит представляет собой стеклообразный материал, состоящий из бора, серы, лития, фосфора и йода.
Ключевой особенностью работы стало включение йода в состав электролита. Благодаря высокой скорости обмена электронами йод действует как посредник в передаче электронов к сере, значительно ускоряя реакции в электроде. Учёные предполагают, что мобильность йода внутри электролита позволяет ему выполнять функцию электронного транспорта.
Полученные результаты впечатляют: при экстремально быстрой зарядке – всего за одну минуту – батарея сохраняла половину своей ёмкости по сравнению с зарядкой в 25 раз медленнее. При среднем темпе зарядки аккумулятор сохранял более 80 % начальной ёмкости даже после 25 000 циклов зарядки и разрядки. Этот уровень долговечности значительно превосходит традиционные литий-ионные батареи, которые обычно теряют аналогичный объём ёмкости уже после 1 000 циклов.
Оба исследования демонстрируют значительный прогресс в развитии литий-серных аккумуляторов. Работа команды DGIST подтверждает перспективность усовершенствованных катодных материалов для быстрозаряжаемых батарей, а исследования китайско-немецкой группы показывают революционный потенциал твёрдых электролитов в повышении долговечности и скорости зарядки аккумуляторов.
