Емкость аккамуляторов станет в 10 раз больше с помощью серы

Объединив покрытые серой пустые и углеродистые нановолокна с электролитическими добавками, исследователи разработали аккумулятор, который превосходит ограниченные возможности существующих в данное время литий-ионных версий в плане объемов хранения. «Для разработки оптимальной структуры, нам нужны как проекты электродов, так и электролитная добавка; вместе они могут дать больше емкости и высокую кулоновскую эффективность. Теперь у нас есть большая емкость со стороны обеих электродов. И это довольно интересное начало».

Эти проблемы ограничивают использование таких новых технологий, как электромобили (хотя уже и разработана тестовая версия электомобиля с пробегом 1630км), а также хранение энергии в сетях питания, так как они не сохраняют достаточно энергии по отношению к своему объему и весу. Потому их энергоемкость является слишком низкой. Решение проблемы в значительной мере касается поиска новых материалов для положительно и отрицательно заряженных электродов батареи - катодов и анодов.

Раньше, инженеры во главе с Йи Цуй - профессором материаловедения и инженерии Стенфордского университета, разработали новый тип анодов с кремниевых нанопроводов. Новое исследование, опубликованное в журнале Nano Letters, описывает, как Цуй сейчас использует покрытые серой пустые и углеродные нановолокна и специальные добавки электролита для улучшения другой составной литий-ионных аккумуляторов - катода.

Цуй говорит, что использование анодов с кремниевых нанопроводов и углеродных, покрытых серой катодов в одной батарее - это дело дизайна нового поколения аккумуляторов. «Я твердо верю, что этот выбор является перспективным для лучших батарей в будущем. Сера является материалом, который может обеспечить в 10 раз большую емкость хранения заряда, и при этом только около половины напряжения существующих батарей».

И мощность заряда, и напряжение - влияют на то, сколько батарея может запасать энергии. Вместе с серным катодом в целостной батарее, показатель высшей емкости зарядов позволяет разработать батарею в четыре-пять раз энергоемкие по сравнении с существующими технологиями литий-ионных аккумуляторов.

К литий-серным аккумуляторам обратились через их низкую стоимость и отсутствие токсичности со стороны серы. Тем не менее, предыдущие поколения литий-серных катодов не подходили для коммерческого производства, так как нуждались в повторной зарядке и перезарядке.

Новое катодное производство решает ряд существенных вопросов, которые вместе, говорит Цуй: «представляют очень большой шанс для данного материала, чтобы он стал жизнеспособной и коммерчески выгодной батареей».

В предыдущих литий-серных конструкциях катода, сера покрывала относительно открытые углеродные структуры, что было проблематично, так как таким образом сера была доступная электролитному раствору батареи. Когда промежуточные продукты реакции - литиевые полисульфиды - вступали в контакт с раствором электролита, они снижали емкость аккумулятора, растворяясь в электролите.

«Это глубокий спорный вопрос: с одной стороны мы не хотим, чтобы была большая площадь контакта серы и электролита, а с другой, хотим иметь больше площади поверхности для электрической и ионной проводимости», говорит аспирант Уесли Гуаньюань Чжен.

Новая версия конструкции решает конфликт с уникальным процессом изготовления, что позволяет сере покрывать пустые углеродные нановолокна изнутри, а не за их пределами. Этот процесс изготовления основан на новом применении коммерчески доступной технологии фильтрации, которая применяется для фильтрации воды.

Новая конструкция катода также повышает емкость аккумулятора, поскольку она имеет почти замкнутую структуру, которая предотвращает значительный исток полисульфидов в раствор электролита. Длина пустых нановолокон составляет примерно 300 размеров их диаметра, а длинные и узкие каналы предотвращают исток полисульфидов.

В дополнение к достигнутым результатам с увеличением энергоемкости благодаря улучшенному процессу изготовления углеродных нановолокон покрытых серой, аспирант Юань Ян включил электролитную добавку, которая увеличивает заряд батареи и энергоефективность - известную как кулоновская эффективность. «Без добавки вы прибавляете батареи 100 электронов, а на выходе получаете 85. С добавкой, вы получаете 99», говорит Цуй.