Известно, что электрический транспорт сможет путешествовать на более длинные расстояния без перезарядки и более эффективно сохранять энергию в дождливые дни, если удастся устранить ряд технических проблем, связанных с литий-серными батареями.
И вот теперь новый проект критической части батареи, как показали разработчики, значительно расширит долговечность технологии, приближая ее к коммерческому использованию.
«Гибридный» анод, разработанный в Тихоокеанской Северо-западной национальной лаборатории при Министерстве энергетики США, способен вчетверо увеличить продолжительность службы литий-серных батарей. Результаты работы с описанием анода опубликованы в издании Nature Communications.
«Литий-серные батареи однажды смогут помочь нам увеличить время до перезарядки аккумуляторов электрических автомобилей, а хранение возобновимой энергии ветра станет дешевле, но сначала требуется устранить ряд технических препятствий, — сообщил научный сотрудник лаборатории Чжан Лю. — Инновационный проект анода приближает этот день».
Современный электрический транспорт обычно приводится в действие перезаряжаемыми литий-ионными батареями, которые также используются для хранения возобновимой энергии. Однако химический состав таких батарей ограничивает объем хранимой энергии. Существует одно многообещающее решение — литий-серная батарея, способная удерживать вчетверо больше энергии на единицу массы, чем литий-ионная батарея. Это позволило бы электрическим транспортным средствам перемещаться дольше на одном заряде и помогло бы хранить больше возобновимой энергии. Обратная сторона литий-серных батарей, как ни печально, в их коротком сроке службы: такие батареи, в отличие от литий-ионных аккумуляторов, не удается перезаряжать много раз.
У большинства батарей есть два электрода: катод (положительный заряд) и анод (отрицательный заряд). Электричество вырабатывается, когда электроны текут по проводу, соединяющему оба электрода. Заряженные молекулы под названием ионы перемещаются из одного электрода в другой иным путем: по раствору электролита, в котором находится электрод.
Основные проблемы литий-серных батарей — нежелательные побочные реакции, которые сокращают срок службы батареи. Нежелательная активность начинается на содержащем серу катоде, который медленно разлагается и формирует молекулы под названием полисульфиды, которые растворяются в электролите. Растворенная сера, в конечном счете, образует тонкую пленку под названием твердотельная промежуточная пленка электролита. Пленка формируется на поверхности литийсодержащего анода, вырастая до тех пор, пока батарея не выходит из строя.
Большая часть исследований в этой области к настоящему моменту была сосредоточена на остановке утечки серы из катода. Но ученые из тихоокеанской лаборатории установили, что остановка протечки может оказаться особенно проблематичной. Кроме того, недавнее исследование показало, что батарея с распавшимся катодом все еще способна работать. А потому ученые подошли с другой стороны, оснастив защитным щитом анод.
Новый щит изготовлен из графита — тонкой матрицы молекул углерода, которая уже используется в анодах литий-ионных батарей. В литий-серной батарее графитный щит удаляет побочные реакции серы от поверхности литиевого анода, предотвращая рост пагубного слоя. Скомбинировав графит литий-ионных батарей с литием литий-серных батарей, ученые сделали новый анод гибридом из двух прежних.
Новый анод в 4 раза увеличивает долговечность системы литий-серной батареи, протестированной исследователями. Оборудованная обычным анодом, батарея теряет работоспособность примерно после 100 циклов зарядки и разрядки, а с новым гибридным анодом количество циклов вырастает до 400 в прежних условиях.
«Сера продолжает распадаться в литий-серных батареях с новым гибридным анодом, но теперь это не имеет значения, — сказал Лю. — Испытания показали, что батарею с гибридным анодом можно успешно и неоднократно заряжать, вплоть до 400 циклов, причем емкость батареи к концу срока использования сократится лишь на 11%».
Это и большая часть других исследований литий-серных батарей проводятся с маленькими версиями тонкопленочных батарей, которые идеально подходят для лабораторных испытаний. Для приведения в действие электрических автомобилей понадобятся большие батареи, испытание которых позволит лучше оценить эффективность нового гибридного анода.
