От Li-Ion к Li-S: новый тип аккумуляторов работает даже разрезанный пополам

Всем привет! С вами Виктор Сергеев из МТС Диджитал. Сегодня поговорим об элементах питания. Команда исследователей из Университета электронной науки и технологий Китая разработала новые литий-серные аккумуляторы (Li-S). Их достоинство — устойчивость к повреждениям и высокая энергоемкость. Они функционируют даже согнутые и разрезанные пополам. Первые образцы Li-S аккумуляторов были представлены еще в 2004 году, но у них был серьезный недостаток — низкое число циклов заряда и разряда. Плюс нестабильность электродов (об этом ниже). В новом варианте такого нет. Подробности — под катом.

Технические решения и проблемы

Li-S аккумулятор делается многослойным: между анодом и катодом располагаются анодные и катодные мембраны и слой электролита. Конструкция такого аккумулятора схожа с Li-ion, но в отличие от него вместе с литиевым анодом используется серосодержащий катод. За счет этого увеличивается его удельная зарядовая емкость.

Катоды на основе переходных металлов конверсионного типа (MSx) считаются перспективными из-за их низкой стоимости и хорошей энергоемкости. Но при высоких температурах в них происходит перемещение полисульфидов по электролиту, расширение объема аккумулятора и замедление электрохимических реакций. В качестве решения группа ученых предложила использовать карбонатный электролит для разделения катода из сульфида железа и литиевого анода. Это привело к новой трудности — образованию осадков, которые блокируют работу аккумулятора.

«Несовместимость MSx с карбонатным электролитом представляет собой серьезную проблему, — объяснили исследователи. — Полисульфиды вступают в побочные реакции с карбонатными растворителями, образуя осадки на электродах. Передача заряда блокируется, что в конечном итоге приводит к выходу аккумулятора из строя».

Чтобы это исправить, ученые нанесли полимерные покрытия в качестве промежуточного слоя на электроды, используя полиакриламид (PAM) и полиэтиленоксид (PEO). У всех этих материалов есть функциональные группы, образующие хелатные комплексы с переходными металлами. В результате уменьшается коррозия и разрушение электродов, особенно при многократных циклах заряда.

«Хелатный эффект возникает благодаря координации неподеленных электронных пар кислорода или азота с пустыми орбиталями переходных металлов, обладающих несколькими степенями окисления», — объясняют ученые.

Среди этих вариантов лучшую эффективность показал полиакриламид, которым покрыли катод в новом прототипе. Он содержал электролит на основе карбоната, анод из карбида лития (LiC6) и металлический источник ионов лития. Такое решение позволило аккумулятору сохранять 72% емкости даже после 300 циклов зарядки и разрядки.

Хотя у Li-S много плюсов, до момента выхода новинки на рынок еще далеко. «Основные препятствия для внедрения — короткий срок службы и не очень хорошая работа при высоких нагрузках», — отметил профессор материаловедения Липинг Ван из Университета электронной науки и технологий Китая.

Надежность — 10 из 10

Главное достоинство нового варианта Li-S-аккумуляторов — их безопасность и стабильность. Исследователи протестировали пакетные и таблеточные варианты. Тесты показали, что аккумулятор не только сохраняет свои характеристики после ста и больше циклов, но и продолжает работать даже в согнутом или разрезанном виде.

По словам профессора Вана, это возможно благодаря особой конструкции: проводящая сеть остается целой даже после механических повреждений.

Ван отметил: «Если эта технология окажется подходящей для коммерческого использования, такие аккумуляторы смогут применяться в сферах, где особенно важны высокая энергоемкость и долговечность».

У Li-S есть и еще одно преимущество перед Li-Ion. В новых аккумуляторах используется меньше лития и больше недорогих и доступных соединений и веществ. А это делает их экономически более выгодными.

Новые горизонты для элементов питания

Китайская компания Betavolt анонсировала «ядерную» батарею BV100, которая способна работать до 50 лет. Модуль размером 15 × 15 × 5 мм³ содержит изотопы Ni-63. Это не аккумулятор, а источник энергии, где радиоактивное излучение преобразуется в электричество. К сожалению, других новостей, кроме анонса, с начала года не было.

В апреле 2024 года ученые из Корейского института передовых наук и технологий (KAIST) разработали натрий-ионные аккумуляторы, способные заряжаться за считанные секунды. В них используются обычные материалы вместе с компонентами от суперконденсаторов. Еще одно их преимущество — безопасность и доступность, поскольку натрий намного дешевле и более распространен, чем литий. А по энергоемкости они даже превосходят Li-Ion-аналоги.

Человечество давно нуждается в более надежных и долговечных, чем Li-Ion, батареях. К сожалению, пока все ограничивается научными изысканиями. Возможно, скоро количество перейдет в качество и мы увидим давно ожидаемую революцию в этой отрасли.