Напредък в литиево-сярните батерии

Новият катоден дизайн прави енергийно плътните батерии по-трайни и по-мощни

Подобрена концепция за батерията: Изследователите са дали на литиево-сярните батерии повече мощност и дълготрайност - с нов дизайн на сярния катод. Това предотвратява дегенерацията на серния електрод дори с по-дебели слоеве сяра и позволява плътност на мощността над 1200 милиампера на грам, както изследователите съобщават в списанието „Science Advances“. Това може да направи литиево-сярните батерии практически използваеми в бъдеще.

Днес литиево-йонните батерии се намират в почти всички мобилни устройства, в електрическите автомобили и в много други приложения за батерии. Но тези батерии имат някои слабости: Те могат да експлодират, да загубят капацитет с течение на времето и тяхната енергийна плътност не е оптимална - това, наред с други неща, ограничава обхвата на електрическите автомобили. Ето защо изследователите по целия свят търсят по-мощни алтернативи на литиево-йонните батерии; литиево-металните батерии, натриево-йонните батерии или литиево-серните батерии се считат за кандидати.

Сяра вместо графит

Литиево-сярните батерии използват като катод смес от сяра и въглерод. Когато батерията се изтощи, металният литий в анода реагира със сярата, образувайки литиев сулфид, като по този начин отделя електричество. В чисто теоретичен план литиево-сярните батерии постигат почти оптимално висока енергийна плътност - и следователно биха могли значително да увеличат обхвата на електрическите автомобили с по-ниско тегло.

Но на практика тези батерии имат улов: С течение на времето структурата и обемът на катода се променят драстично. В резултат на това производителността на батерията намалява значително с всеки цикъл на зареждане. „Този страничен ефект от разпадането на електродите става все по-изразен, когато дебелината на катода се увеличава“, обясняват Махдохт Шайбани от университета Монаш в Австралия и нейни колеги.

Ето защо изследователите вече са произвели дълготрайни, високоефективни литиево-сярни батерии като клетки, но по-големите батерии имат лош живот.

Микроструктурата на катода оптимизирана

Шайбани и нейният екип може би вече са намерили решение на този проблем с мащабирането. Разработили сте сярни катоди, чиято структура минимизира промените в обема дори при по-големи батерии. Ядрото на концепцията е свързващият агент, направен от натриеви карбоксиметил целулози (Na-CMC), който задържа сярата и въглерода заедно на катода и по този начин има решаващо влияние върху поведението и микроструктурата.

Изследователите са разработили производствен метод за новата си литиево-сярна батерия, който разпределя свързващото вещество по-ефективно и в същото време по-фино в катодния материал. „Това позволява да се образуват механично здрави мостове между материалите и се създават катоди с уникална архитектура“, съобщават Шайбани и нейните колеги. "Тези катоди имат големи реакционни повърхности, могат да издържат на зареждащо напрежение и имат висока електрическа проводимост и йонна пропускливост."

Висока ефективност и капацитет

Но какво всъщност носи това? За да тестват това, изследователите са конструирали сярни катоди въз основа на новия дизайн и са ги вградили в торбички - по-големи батерии с гъвкави обвивки, като тези, използвани в електрически превозни средства. Тестът показа, че тези катоди постигат капацитет от над 1200 милиампера часа на грам - това е около три пъти стойността на конвенционалните литиево-йонни батерии.

Но още по-важно: литиево-сярните батерии едва ли са загубили своята мощност дори след повече от 200 цикъла на зареждане. "Такова ниво на устойчив капацитет досега е било недостижимо за сярни катоди с такава дебелина", твърдят учените. В същото време неговият катод постигна ефективност от 99 процента. „Доколкото ни е известно, тази комбинация от отлична стабилност на цикъла и ефективност е уникална за катоди с толкова високо съдържание на сяра“, съобщават те.

Евтина, по-екологична и лесна за производство

Според изследователите техният производствен метод решава проблема с мащабирането на литиево-сярните батерии и по този начин може да направи тяхната висока енергийна плътност използваема на практика в бъдеще. „Този подход не само ни дава батерии с висока производителност и дълъг експлоатационен живот, но също така са лесни и евтини за производство“, обяснява съавторът Матю Хил от австралийската изследователска организация CSIRO.