Более 1000 км реального запаса хода: эта литиево-серная батарея использует хлор для достижения показателя 477 Вт·ч/кг

Уже более 15 лет мы говорим о химии аккумуляторов с огромным потенциалом — литиево-серных элементах, которые давно считаются одной из наиболее перспективных альтернатив для преодоления ограничений современных аккумуляторов. Сера обильна, относительно дешева и обладает очень высокой емкостью хранения на единицу массы, однако её практическое применение сталкивается с рядом проблем, особенно связанных с низким рабочим напряжением, деградацией и перемещением соединений серы внутри аккумулятора.

Теперь группа исследователей из Университета Вандербильта и Университета Мэриленда при содействии ученых других американских институтов нашла иной способ использования свойств серы. Работа, опубликованная в журнале Nature Energy, изменяет обычную химическую реакцию, позволяя сере участвовать в дополнительном процессе во время зарядки и разрядки.

Ключ к решению заключается в чем-то настолько простом для объяснения, но настолько сложном для реализации на практике: сделать так, чтобы каждый атом серы мог обмениваться третьим электроном. В традиционной литий-серной батарее сера участвует в реакции, в которой задействованы два электрона. Исследователи добавили хлор, чтобы расширить эту реакцию и перевести серу в дополнительное химическое состояние.

Результат особенно примечателен, поскольку он не только увеличивает количество заряда, которое может хранить сера. Новая реакция также работает при более высоком напряжении, что позволяет одновременно улучшить два фактора, определяющих энергию хранения аккумулятора: количество заряда и напряжение, при котором он выдает энергию.

Третий электрон меняет возможности серы

В ходе тестов, проведённых командой, новая химическая формула позволила увеличить удельную емкость серы на 58%, в то время как среднее напряжение работы выросло с примерно 2,05 до 2,54 вольт. Благодаря этой комбинации на уровне электрода была достигнута емкость свыше 1.700 Вт·ч/кг, что является чрезвычайно высоким показателем для экспериментальной батареи.

Отличие от обычной литий-серебряной батареи заключается в дополнительной реакции, возникающей благодаря хлору. Исследователи смогли обратимо преобразовать литиевый сульфид в дихлорид дисульфида с участием трёх электронов на атом серы вместо обычных двух.

Это важно, поскольку сера уже обладает преимущественным положением по сравнению с другими материалами, используемыми в электродах. Её обилие и высокая удельная емкость побудили к её изучению на протяжении многих лет в качестве альтернативы материалам, применяемым в настоящее время в литиевых батареях, однако до сих пор было сложно полностью раскрыть её потенциал без возникновения новых проблем.

Команде пришлось решить именно одну из этих проблем, прежде чем они смогли использовать третий электрон обратимым способом. Во время зарядки хлор должен был реагировать с серой, но при этом образовавшийся соединение не должно было перемещаться по батарее и в конечном итоге реагировать с металлическим литиевым электродом.

Чтобы этого добиться, исследователи использовали молекулярные симуляции, которые позволили изучить поведение ионов лития и хлорида в различных электролитах. На основе полученных результатов они разработали жидкий ионный электролит, богатый хлоридом, способный сохранять его в доступном количестве для реакции с серой.

Они также выбрали такое сочетание компонентов, при котором продукт реакции между серой и хлором плохо растворяется. Таким образом он остается в положительном электроде и может снова участвовать в реакции во время разряда, что делает процесс обратимым.

Исследования, проведенные с использованием различных методов спектроскопии, позволили подтвердить, что сера действительно неоднократно переходит в это новое химическое состояние в процессах зарядки и разрядки. Следовательно, речь идет не просто о теоретической оценке возможных действий серы, а о реакции, которую исследователям удалось наблюдать и воспроизвести в лабораторных условиях.

Но существует значительная разница между впечатляющим показателем в 1,700 Вт·ч/кг и тем, что может обеспечить полностью собранная батарея. Это значение относится к уровню электрода и не отражает плотность энергии готового к установке в электромобиль блока питания. Когда исследователи учитывают другие компоненты, необходимые для создания функциональной батареи, оценка существенно снижается.

В частности, команда рассчитывает, что при использовании всей батареи в целом технология может достичь показателя 477 Вт·ч/кг, что примерно на 37% выше, чем у традиционной литий-серная системы, использованной в качестве эталона в исследовании. Этот показатель по-прежнему является оценкой, основанной на экспериментальном проекте, а не коммерческой батареей, которую можно было бы установить в автомобиль в настоящее время.

Чтобы проверить, может ли новая химия функционировать не только в небольших элементах, обычно используемых на ранних этапах исследований, ученые также создали однослойный элемент в форме мешочка. После 100 циклов зарядки он сохранил 78% от своей первоначальной ёмкости.

Это число позволяет доказать, что реакция может быть повторена, но также ясно показывает, сколько работы ещё предстоит. В экспериментальном элементе используется металлический литиевый электрод, относительно небольшие количества серы и количество электролита, превышающее желаемое для коммерческих батарей.

Именно здесь и заключается одна из главных сложностей при применении этой химии в электромобилях. Недостаточно просто добиться высокой энергетической плотности в активном материале. Необходимо сократить количество электролита, увеличить долю активных материалов, повысить срок службы, контролировать вторичные реакции и обеспечить возможность производства всей системы экономически эффективно в крупных масштабах.

Однако исследования показывают, что сера все еще способна обеспечить больше, чем считалось ранее. Вместо того чтобы ограничиваться улучшением традиционных литий-серных аккумуляторов, ученые изменили саму химическую реакцию, чтобы использовать дополнительный электрон и одновременно повысить напряжение работы аккумулятора.

На данный момент говорить о электромобилях с аккумуляторами, способными достигать показателя свыше 1.700 Вт·ч/кг, означало бы смешивать два совершенно разных уровня исследований. Эта цифра относится к экспериментальному электроду. Сами исследователи оценивают показатель в 477 Вт·ч/кг, учитывая основные компоненты системы, и до создания коммерческого аккумулятора предстоит преодолеть множество препятствий.

Тем не менее этот результат представляет интерес для автомобилестроения, поскольку аккумулятор, способный на практике достичь значения в несколько сотен Вт·ч/кг, позволил бы использовать более легкие комплекты для той же автономности или значительно увеличить её без пропорционального увеличения веса автомобиля. Именно по этой причине литий-серные аккумуляторы уже много лет находятся в центре внимания исследователей.

Исследование, опубликованное в Nature Energy, показывает, что путь к достижению этой цели не обязательно должен проходить только через добавление большего количества материала или улучшение традиционных электродов. В данном случае решением стало вовлечение серы в реакцию с участием трех электронов с использованием хлора и электролита, специально разработанного для контроля процесса.

Технология все еще находится на очень ранней стадии, и сами результаты циклических испытаний ячеек типа «сумка» отражают эту ситуацию. Однако эксперимент открывает новый путь в области литиево-серных аккумуляторов и, что самое важное, демонстрирует, что все еще существуют способы извлечения большего количества энергии из такого обильного материала, как сера.