Твердотельные аккумуляторы из серы

Ученые департамента энергетики Национальной лаборатории в Оак Ридж (Oak Ridge National Laboratory, ORNL), США разработали и испытали полностью твердотельные литий-серные батареи, обладающие плотностью энергии вчетверо большей, чем привычные литий-ионные аккумуляторы. Один из основных материалов, который требуется для новых батарей – распространенная и недорогая сера.

Ведущий автор исследования Ченгду Лян (Chengdu Liang) отметил в опубликованном журналом Angewandte Chemie International Edition отчете о работе коллектива: «Наш подход состоял в полном изменении используемой в течение последних 150-200 лет концепции батареи из двух электродов, соединенных жидким электролитом».

Ученые озабочены реализацией потенциала литий-серных батарей на протяжении десятилетий. Однако до сих пор они не могли создать версию, пригодную для коммерческого использования. Причина неудач была в свойствах жидкого электролита. С одной стороны жидкость обеспечивала высокую проводимость батареи для ионов, легко растворяя полисульфидные соединения лития. Но с другой стороны этот же самый процесс растворения вызывал быстрый выход аккумуляторов из строя.

Научный коллектив из ORNL сумел преодолеть барьеры, впервые синтезировав класс материалов на основе серы, которые проводят ионы так же хорошо, как и оксиды лития, применяемые в катодах современных батарей. Новый материал использован в паре с литиевым анодом и твердым электролитом, также разработанным в лаборатории.

«Замена жидкого электролита на твердый устраняет проблему растворения серы и дает возможность производства долгожданных литий-серных батарей», - считает Лян. «Разработанная нами батарея имеет реальный потенциал для снижения затрат, увеличения плотности энергии и повышения безопасности в сравнении с существующими литий-ионными технологиями».

Новые аккумуляторы демонстрируют удельную энергию 1200 мАч на грамм после 300 зарядно-разрядных циклов при температуре 60о С, в то время как традиционные решения способны обеспечить значение в пределах 140-170 мАч/г. Ввиду того, что литий-серные батареи работают на напряжении примерно вдвое меньшем, чем литий-ионные, это восьмикратное превышение удельного показателя в реальной батарее дает выигрыш в плотности энергии в четыре раза.

Твердотельные аккумуляторные батареи также увеличивают безопасность за счет отсутствия в конструкции жидких и горючих элементов, способных вступать в реакцию с металлическим литием. Среди других преимуществ новой технологии – использование серы, обильного побочного продукта любого нефтеперерабатывающего производства.

«Сера практически бесплатна», - утверждает Лян. «Мало того, что сера запасает значительно больше энергии, чем соединения переходных металлов, используемые в катодах литий-ионных аккумуляторов, литий-серные устройства могут помочь переработать отходы в полезные технологии».

Хотя новый аккумулятор все еще находится в состоянии демонстрационного образца, Лян и его коллеги надеются стать свидетелями того, как их разработка быстро переместится из лаборатории в коммерческие приложения. В настоящее время ученые подали патентную заявку на свое изобретение.