477 Вт·ч/кг: исследователи повысили энергоемкость литий-серных аккумуляторов
Автор: Марта Баринова Исследователи из Университета Вандербильта и Университета Мэриленда разработали новую химию литий-серных аккумуляторов. Она позволяет сере участвовать в дополнительной реакции и запасать больше энергии. Потенциальная удельная энергоемкость аккумуляторного стека достигла 477 Вт·ч/кг.
В обычных литий-серных аккумуляторах каждый атом серы во время зарядки и разрядки обменивается двумя электронами. Ученые задействовали ранее неиспользованный потенциал материала и с помощью хлора заставили серу участвовать в реакции с третьим электроном. Это увеличило емкость и рабочее напряжение системы.
В экспериментах емкость серы выросла примерно на 58%, а среднее напряжение увеличилось с 2,05 до 2,54 В. Один килограмм серы в новой системе способен запасать более 1700 Вт·ч энергии. Этот показатель относится только к активному материалу, поэтому его нельзя напрямую переносить на готовый аккумулятор.
С учетом основных компонентов аккумуляторного стека исследователи оценивают потенциальную удельную энергоемкость примерно в 477 Вт·ч/кг. Это примерно на 37% выше показателя традиционной литий-серной системы, с которой проводилось сравнение. Исследователям нужно было сделать дополнительную реакцию обратимой.
Хлор должен взаимодействовать с серой во время зарядки, но образующееся серно-хлорное соединение не должно растворяться в электролите и перемещаться к литиевому аноду. Иначе оно могло бы вступить в нежелательную реакцию. Ученые использовали молекулярное моделирование и подобрали электролит, в котором хлорид остается доступным для реакции с серой, а новые соединения почти не растворяются и остаются внутри положительного электрода.
Спектроскопические исследования подтвердили, что сера действительно многократно проходит через дополнительное химическое состояние во время циклов зарядки и разрядки. Исследователи также собрали однослойный аккумулятор пакетного типа, чтобы проверить технологию в более крупных лабораторных ячейках. После 100 циклов прототип сохранил 78% первоначальной емкости.
До коммерческого применения технологии еще далеко. Прототип использует металлический литий, относительно небольшое количество серы и слишком много электролита для практической серийной батареи. Литий-серные аккумуляторы привлекают высокой теоретической емкостью серы, ее распространенностью и низкой стоимостью, а новая трехэлектронная реакция может повысить энергоемкость таких элементов без дорогих катодных материалов.
