Аккумуляторная батарея с катодом на основе серы обеспечит до 500 циклов зарядки/разрядки

Новый тип недорогих батарей, производимых из пластика и промышленных отходов, будет иметь ёмкость, сравнимую с аккумуляторами ноутбуков, обеспечивая сотнями циклов зярядки/разрядки. Исследователи Национального института стандартов и технологий (NIST), университета в Аризоне (г.Тусон) и Сеульского национального университета (Корея) разработали более тонкую версию ионно-литиевой батареи – серно-литиевую (Li-S). Катод такой батареи выполнен практически целиком из серы – дешёвого отхода нефтепереработки.

По мнению материаловеда института NIST Кристофера Соулса, рабочие параметры нового типа батарей будут конкурентоспособными на рынке. «Пятьсот рабочих циклов батареи при ёмкости, которой мы достигли – этот показатель превосходит параметры батарей, используемых в ноутбуках сегодня», – отметил Соулс.

Питание батарей генерируется при движении положительных ионов между катодом и анодом. Электроны движутся по цепи, совершая полезную работу. За последние 10 лет компактные ионно-литиевые батареи достигли довольно большой ёмкости. Всё большая ёмкость сосредотачивалась в меньших объёмах, что было полезно для повсеместного распространения мобильных устройств. Однако в ионно-литиевых батареях используется громоздкий катод, обычно выполненный из оксидной керамики (например, оксида кобальта), что накладывает определённые ограничения на ёмкость таких компонентов. Это означает, что для более требовательных к питанию устройств (например, электромобилей) ионно-литиевая технология недостаточно хороша.

Удельный вес серы практически вдвое меньше веса кобальта. Плюс ко всему сера способна удерживать вдвое больше ионов лития в заданном объёме по сравнению с оксидом кобальта. Удельная энергия нового тип батарей, таким образом, в несколько раз превышает энергию ионно-литиевых батарей.

Серные катоды, однако, имеют два важных недостатка. Сера легко связывается с литием, формируя компаунды, кристаллизирующиеся внутри батарей, что ведёт к риску разлома при воздействии нагрузки и повторяющихся циклах разрядки/зарядки. Таким образом, серно-литиевая батарея становится бесполезной через несколько десятков рабочих циклов, что слишком мало для аккумуляторов ноутбуков или электромобилей, в которых зарядка/разрядка может осуществляться раз в сутки на протяжении нескольких лет.

Для производства более стабильного катода исследователи нагревают серу до 185°C, расплавляя 8-атомные структуры в длинные цепи. Затем серные цепи перемешивают с бензолом диизопропенила (DIB) – пластичным прекурсором на основе углерода. Данный материал связывает серные цепи вместе, образуя так называемый сополимер. Исследователи назвали такой технологический процесс инверсной вулканизацией, поскольку он напоминает технологию производства шин, с одним важным отличием. При производстве шин углеродистый материал образует массив, в который впрыскивается сера.

Применение химиката DIB предотвращает катоды от растрескивания и исключает кристаллизацию серно-литиевых компаундов. Учёные проверили различные пропорции серы и бензола диизопропенила, придя к оптимальному значению массовой доли DIB в 10-20%. Меньшее количество DIB не обеспечивает катоды достаточной защитой. При этом большая часть электрохимически неактивного вещества DIB ведёт к снижению удельной энергии батареи.

Исследователи подвергли оптимизированную батарею пятистам циклам разрядки и зарядки, обнаружив то, что она сохранила более половины своей изначальной ёмкости. Другие экспериментальные серно-литиевые батареи показали похожие результаты, но производство катодов для таких элементов питания требует более сложных технологических процессов. По мнению Джефри Пьюна, учёного химика университета Аризоны, масштабирование процесса производства таких батарей может быть слишком дорогим.

Созданный командой исследователей полимерный катод требует для производства использование легкодоступных материалов и небольшой нагрев. «Мы берём материал, расплавляем его за одну операцию и всё готово, – отмечает Пьюн.– Вы можете придти к нам в лабораторию и увидеть процесс производства, длящийся всего 5 минут».

Несмотря на все преимущества, мы нескоро увидим серно-литиевые батареи в магазинах. Соулз предупредил, что коммерческая реализация батареи подразумевает не только соответствие заявленным требованиям. К примеру, литий подвержен риску возгорания при воздействии воздуха, поэтому любые коммерческие серно-литиевые батареи должны пройти строгие испытания безопасности перед выходом на рынок.