Команда исследователей стремится дальше повысить потенциал литиево-серных аккумуляторов
Исследователи из Университета Вандербильта и Университета Мэриленда представили новую кинетику клеток, которая может значительно повысить плотность энергии литиево-серных аккумуляторов. Благодаря включению хлора этот подход позволяет осуществлять дополнительную передачу электронов при более высоком напряжении.
Графика: Университет Вандербильта
Литиево-серные аккумуляторы уже давно считаются многообещающей альтернативой традиционным литиево-ионным элементам, поскольку сера встречается в изобилии и способна хранить гораздо больше заряда на единицу массы. Однако до сих пор реализация таких аккумуляторов, обеспечивающая их долговечность и практическую применимость, оказывалась сложной.
В исследовании, опубликованном в научном журнале „Nature Energy“, команда из американских университетов Vanderbilt University и University of Maryland описывает новый подход, при котором сера участвует в дополнительной реакции хранения энергии. Результатом стала батарея на основе серы, работающая при более высоком среднем напряжении и способная хранить больше заряда.
Прототип литиево-серной батареи смог хранить 1,700 ватт-часов энергии
В то время как в традиционных системах каждый атом серы обменивается двумя электронами, новая система включает также хлор для передачи третьего электрона. В лабораторных тестах это позволило увеличить емкость хранения серы примерно на 58 процентов, а среднее рабочее напряжение поднялось с примерно 2,05 вольт до 2,54 вольт. Благодаря сочетанию повышенной способности к хранению заряда и увеличенного напряжения килограмм серы в экспериментальной тестовой ячейке смог накопить более 1700 ватт-часов энергии.
Чтобы обеспечить обратимость процесса, исследователи использовали молекулярные симуляции для проектирования электролита. Он сохраняет хлор в реакционной форме и одновременно предотвращает растворение образующегося продукта серы и хлора, который мог бы переместиться к аноду из литиевого металла.
78 процентов емкости после 100 циклов зарядки
Различные спектроскопические методы подтвердили, что сера в процессах зарядки и разрядки неоднократно переходит в новое состояние. Собранная батарея типа Pouch после 100 циклов зарядки сохранила 78 процентов своей первоначальной ёмкости.
Однако до коммерческого применения предстоит ещё много работы, поскольку прототип использует анод из лития в металлической форме и большие объёмы электролита. Учитывая все основные компоненты батареи, а не только электроды, учёные считают, что этот подход может обеспечить гравиметрическую плотность энергии на уровне 477 Вт·ч/кг. Это примерно на 37 процентов выше, чем у аналогичных традиционных литий-серных систем.
«Традиционный подход к литий-серных аккумуляторам приводит к тому, что часть окислительно-восстановительных свойств серы остается неиспользованной», — сказал Дэ-эн Цзян, профессор химической технологии и химии в Университете Вандербильт, а также соавтор исследования. «Мы хотели выяснить, можно ли расширить окислительно-восстановительные возможности серы и использовать их для хранения большего количества энергии».
