Исследователи из Университета Вандербильта и Университета
Мэриленда разработали новую химию литий-серных аккумуляторов, которая позволяет
сере участвовать в дополнительной реакции и запасать больше энергии. В
экспериментальных ячейках удельная энергоемкость самой серы превысила 1700
Вт·ч/кг.Изображение сгенерировано GeminiИсточник изображения: GeminiВ обычных литий-серных аккумуляторах каждый атом серы в
процессе зарядки и разрядки обменивается двумя электронами. Ученые смогли
задействовать ранее неиспользованный потенциал материала и с помощью хлора
заставили серу участвовать в реакции с третьим электроном.Это одновременно увеличило емкость и рабочее напряжение. В
экспериментах емкость серы выросла примерно на 58%, а среднее напряжение
повысилось с 2,05 до 2,54 В. В результате один килограмм серы в новой системе способен
запасать более 1700 Вт·ч энергии.При этом показатель относится только к активному материалу и
не означает, что готовый аккумулятор будет иметь такую же удельную
энергоемкость. Если учитывать основные компоненты аккумуляторного стека,
исследователи оценивают потенциальный показатель примерно в 477 Вт·ч/кг —
примерно на 37% выше, чем у традиционной литий-серной системы, с которой
проводилось сравнение.Главной проблемой оказалось сделать новую 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, где оно могло бы вступить в нежелательную реакцию.Для решения этой задачи ученые использовали молекулярное
моделирование и подобрали электролит с нужными свойствами. В нем хлорид
остается доступным для реакции с серой, а образующиеся 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, то есть проверили технологию не только в миниатюрных
лабораторных ячейках. После 100 циклов он сохранил 78% первоначальной емкости.
Однако до коммерческого применения технологии пока далеко: прототип использует
металлический литий, относительно небольшое количество серы и слишком много
электролита для практической серийной батареи.Литий-серные аккумуляторы интересны благодаря высокой
теоретической емкости серы, ее распространенности и низкой стоимости. Если
новую трехэлектронную реакцию удастся адаптировать для долговечных и массовых
элементов, она потенциально позволит увеличить энергоемкость таких батарей без
использования дорогих катодных материалов.