Більше 1 000 км реальної автономності: ця літій-сірчана батарея використовує хлор для досягнення показника 477 Вт·год/кг

Зараз команда дослідників з Університету Вандербільт та Університету Меріленду, у співпраці з вченими інших американських установ, знайшла інший спосіб використання властивостей сірки. Дослідження, опубліковане в журналі Nature Energy, змінює звичайну хімічну реакцію, щоб сірка могла брати участь у додатковому процесі під час заряджання та розряджання.

Ключ до цього полягає у чомусь настільки простому для пояснення, але складному для досягнення на практиці: забезпечити кожному атому сірки можливість обмінятися третім електроном. У звичайному літій-сірковому акумуляторі сірка бере участь у реакції, в якій задіяні два електрони. Дослідники додали хлор, щоб розширити цю реакцію та перевести сірку у додатковий хімічний стан.

Результат є особливо вражаючим, оскільки він не лише збільшує кількість заряду, яку може зберігати сірка. Нова реакція також функціонує при вищому напрузі, тож одночасно покращуються два фактори, які визначають енергію, що може зберігати акумулятор: кількість заряду та напруга, при якій він його видаватиме.

Третій електрон змінює можливості сірки

У тестах, проведених командою, нова хімічна суміш дозволила збільшити специфічну ємність сірки на 58%, тоді як середнє напруга роботи піднялася з приблизно 2,05 до 2,54 вольтів. Ця комбінація дозволила досягти показника понад 1.700 Вт·г/кг на рівні електрода, що є надзвичайно високим значенням для експериментальної батареї.

Різниця порівняно зі звичайною літій-сірковою батареєю полягає у додатковій реакції, яка виникає завдяки хлору. Дослідники змогли здійснити оборотне перетворення сульфіду літію на дихлорид дисульфіду за допомогою процесу, у якому беруть участь три електрони на атом сірки замість звичайних двох.

Це важливо, тому що сірка вже починає з привабливих позицій порівняно з іншими матеріалами, які використовуються в електродах. Її поширеність та висока питома ємність змусили досліджувати її протягом багатьох років як альтернативу матеріалам, що зараз використовуються у літійних акумуляторах, але досі було складно повністю розкрити її потенціал без виникнення нових проблем.

Команда мусила вирішити саме одну з цих проблем, перш ніж змогти використовувати третій електрон у зворотному напрямку. Хлор мав реагувати з сіркою під час заряджання, але так, щоб утворений сполук не міг переміщуватися по акумулятору та реагувати з металевим літієвим електродом.

Щоб цього досягти, дослідники використали молекулярні симуляції, які дозволили вивчити поведінку іонів літію та хлориду в різних електролітах. На основі цих результатів вони створили рідкий іонний електроліт, багатий на хлориди, здатний утримувати його у доступному вигляді для реакції з сіркою.

Вони також обрали склад, у якому продукт реакції між сіркою та хлором не розчиняється легко. Таким чином він залишається всередині позитивного електрода та може знову брати участь у реакції під час розряду, що дозволяє зробити процес зворотним.

Дослідження, проведені за допомогою різних технік спектроскопії, дозволили підтвердити, що сірка дійсно неодноразово переходить у цей новий хімічний стан під час процесів заряджання та розряджання. Отже, йдеться не лише про теоретичну оцінку того, що може робити сірка, а й про реакцію, яку дослідники змогли спостерігати та повторювати в лабораторних умовах.

Але існує значна різниця між вражаючим показником у 1 700 Вт·год/кг та тим, що може досягти повна батарея. Це значення відноситься до рівня електрода та не відображає щільність енергії пакета, готового до встановлення в електромобіль. Коли дослідники беруть до уваги інші компоненти, необхідні для створення функціональної батареї, оцінка суттєво знижується.

Зокрема, команда розраховує, що ця технологія може досягти 477 Вт·год/кг на рівні всієї батареї, що приблизно на 37% більше, ніж у традиційної системи з літію та сірки, яка використовувалася як база для дослідження. Цей показник залишається оцінкою, заснованою на експериментальному проектуванні, а не комерційною батареєю, яку можна було б встановити у автомобіль наразі.

Щоб переконатися, що нова хімія може функціонувати не лише у невеликих елементах, які зазвичай використовуються на ранніх етапах досліджень, вчені також створили невеликий одношаровий елемент у формі мішка. Після 100 циклів зарядки він зберіг 78% своєї початкової ємності.

Це число дозволяє показати, що реакцію можна повторити, але водночас чітко свідчить про те, скільки роботи ще попереду. Експериментальний елемент використовує металевий літієвий електрод, ще відносно невеликі кількості сірки та об’єм електроліту, який перевищує той, що був би бажаним у комерційному акумуляторі.

Саме тут полягає один із найбільших викликів у застосуванні цієї хімії у електромобілях. Недостатньо лише досягти високої енергетичної щільності в активному матеріалі. Потрібно зменшити кількість електроліту, підвищити частку активних матеріалів, покращити термін служби, контролювати вторинні реакції та забезпечити можливість виробництва всієї системи економічно та у великих масштабах.

Однак дослідження показують, що сірка все ще має потенціал для надання більшого, ніж очікувалося. Замість того, щоб обмежуватися вдосконаленням традиційних літій-сіркових акумуляторів, дослідники змінили саму хімічну реакцію, щоб використати додатковий електрон та водночас підвищити їхню робочу напругу.

Наразі говорити про електромобілі з акумуляторами, здатними досягати показника понад 1.700 Вт·год/кг, означало б поєднувати два абсолютно різних рівні досліджень. Цей показник стосується експериментальних електродів. Самі дослідники оцінюють показник у 477 Вт·год/кг, якщо враховувати основні компоненти системи, і ще потрібно подолати численні перешкоди, перш ніж досягти комерційного акумулятора.

Проте цей результат є цікавим для автомобільної промисловості, адже акумулятор, який на практиці зможе наблизитися до кількох сотень Вт·год/кг, дозволить створювати легші батарейні пакети для однакової автономності або значно збільшити її, не збільшуючи в тій самій пропорції вагу автомобіля. Саме це є однією з причин, чому літій-сіркові акумулятори вже багато років перебувають у центрі уваги досліджень.

Дослідження, опубліковане в Nature Energy, демонструє, що шлях до цього не обов’язково має проходити лише через додавання більшої кількості матеріалу чи вдосконалення традиційних електродів. У цьому випадку рішенням стало залучення сірки до реакції з участю трьох електронів за допомогою хлору та електроліту, спеціально розробленого для контролю процесу.

Технологія все ще знаходиться на дуже ранній стадії, і самі результати циклу батареї типу «сумка» відображають цю ситуацію. Проте експеримент відкриває новий шлях у розвитку літій-сіркових акумуляторів та, насамперед, доводить, що все ще існують способи отримання більшої кількості енергії з такого поширеного матеріалу, як сірка.