Следующее поколение литий-серных аккумуляторных батарей

litij-sernyh-akkumulyatornyh-batarejИсследователи разработали опытный образец литий-серной аккумуляторной батареи следующего поколения, вдохновляющая идея которой была взята частично из клеток, выстилающих тонкий кишечник человека. При производстве на коммерческой основе удельная энергия литий-серной батареи будет в пять раз превосходить удельную энергию литий-ионной, используемой в смартфонах и других электронных устройствах.

В новой разработке исследователям из Кембриджского университета удалось преодолеть одну из ключевых технических проблем, препятствующих коммерческой разработке литий-серных батарей, предотвратив деградацию батареи, вызванную потерей материала внутри нее. Результаты представлены в журнале Advanced Functional Materials.

Исследователи из Кембриджского университета вместе с сотрудниками Пекинского технологического института из команды доктора Васанта Кумара кафедры материаловедения и металлургии разработали и испытали легкий наноструктурный материал, который напоминает ворсинки, пальцеобразные выступы, устилающие тонкую кишку. В человеческом теле ворсинки используются для поглощения продуктов пищеварения и увеличивают площадь поверхности, на которой происходит этот процесс.

В новой литий-серной батареи на поверхность одного из электродов помещается материал с ворсинкоподобной структурой, изготовленный из тонкой проволоки из оксида цинка. Этот слой способен захватывать фрагменты активного вещества, когда они отрываются, оставляя их электрохимически доступными, что позволяет повторно использовать материалы аккумулятора, которые были подвергнуты разрушению.

«Это очень тонкая вещь, этот слой, но важная», сказал соавтор исследования доктор Пол Коксон с кафедры материаловедения и металлургии Кембриджского университета. «Этот слой заставляет нас пройти долгий путь через узкое место, которое препятствует разработке аккумуляторных батарей лучшего качества.»

Типичный литий-ионный аккумулятор состоит из трех отдельных компонентов: анод (отрицательный электрод), катод (положительный электрод) и электролита в середине. Наиболее распространенными материалами для анода и катода являются графит и оксид лития-кобальта соответственно, которые оба имеют слоистые структуры. Положительно заряженные ионы лития движутся вперед и назад от катода через электролит и в анод.

Кристаллическая структура материалов электродов определяет, сколько энергии может быть аккумулировано в батарею. Например, из-за атомной структуры углерода, каждый атом углерода может взять на себя шесть ионов лития, что ограничивает максимальную емкость батареи.

Сера и литий реагируют по-разному, с помощью многоэлектронного передаточного механизма элементарная сера может предложить гораздо более высокую теоретическую емкость, в результате чего литий-серные батареи имеют гораздо более высокую плотностью энергии. Тем не менее, при разряде аккумулятора, литий и сера взаимодействуют, и кольцевые молекулы серы превращаются в цепеподобные структуры, известные как полисульфид. По мере того как батарея проходит несколько циклов заряда-разряда, биты полисульфида могут перейти в электролит, так что со временем батарея постепенно теряет свой активный материал.

kembridzhskij-universitetИсследователи Кембриджского университета создали функциональный слой, который лежит на верхней части катода и захватывает активный материал с проводящей основой таким образом, что этот активный материал может быть использован повторно. Слой состоит из крошечных одномерных нанопроводов оксида цинка, выращенных на подложке. Концепция была опробована с использованием коммерчески доступного пеноникеля в качестве подложки. После успешных результатов, пена была заменена на легкий коврик из углеродного волокна, чтобы уменьшить общий вес батареи.

«Переход от жесткого пеноникеля к гибкому коврику из углеродного волокна создает имитацию работы тонкого кишечника,» сказал соавтор исследования доктор Yingjun Liu.

Этот функциональный слой, который напоминает ворсинки кишечника, обладает очень высокой площадью поверхности. Материал имеет очень прочную химическую связь с полисульфидами, обеспечивая дальнейшее использование активного материала, что значительно увеличивает срок службы батареи.

«Это первый случай, когда химически функциональный слой с хорошо организованной нано-архитектурой был предложен для улавливания и повторного использования растворенные активных веществ во время зарядки батареи и ее разрядки,» сказал ведущий автор исследования Дэн Чжао, аспирант кафедры материаловедения и металлургии. «Взяв нашу вдохновляющую идею из мира природы, мы смогли придумать решение, которое, как мы надеемся, ускорит разработку аккумуляторных батарей следующего поколения.»

В настоящее время устройство проходит проверку принципа, так что коммерчески доступными литий-серные батареи станут еще только через несколько лет. Кроме того, хотя количество зарядок и разрядок батареи было улучшено, она до сих пор не в состоянии пройти через столько же циклов зарядки, как литий-ионный аккумулятор. Однако, в связи с тем, что литий-серный аккумулятор не требуется заряжать так часто, как литий-ионный, вполне возможно, что увеличение плотности энергии может уровнять более низкое общее количество циклов зарядки-разрядки.

«Это способ обойти одну из тех неудобных маленьких проблем, которые затрагивает всех нас,» сказал Коксон. «Мы все связаны с нашими электронными устройствами — в конечном счете, мы просто пытаемся улучшить работу этих устройств, и мы надеемся, что это немного улучшит нашу жизнь.»

Источник: https://solarthermalmagazine.com/2016/10/26/next-generation-lithium-sulphur-battery-inspired-gut/

Написать нам