Исследователи из Университета Монаша в Австралии разработали сверхбыстро заряжаемые литий-серные (Li-S) батареи, которые вскоре смогут питать электромобили большой дальности и летающие воздушные такси. Согласно пресс-релизу университета, недавно разработанные батареи обеспечивают в два раза большую плотность энергии, чем обычные литий-ионные (Li-ion) батареи.
Изобретенные в 1980-х годах, литий-ионные аккумуляторы в настоящее время являются основой хранения энергии для небольших электронных устройств или больших электромобилей. Даже возобновляемые накопители энергии используют литий-ионные аккумуляторы из-за их превосходной плотности энергии и емкости хранения.
Литий-серные батареи сейчас могут быть в новостях, но на самом деле они были изобретены на два десятилетия раньше своих литий-ионных аналогов. Однако ограничения внутренней химии привели к тому, что батареи Li-S отошли на второй план в своем развитии, и эта проблема постепенно решается.
Улучшение Li-S аккумуляторов
Среди недостатков Li-S-аккумулятора — сниженная мощность и меньшее количество циклов зарядки. Это в первую очередь связано с анодными и катодными материалами, используемыми в аккумуляторе.
Поскольку сера служит катодом, а литий-ион — анодом, литий не осаждается повторно на аноде во время процесса перезарядки. Вместо этого образующиеся химические отложения разрушают анод и электролит, замедляя время перезарядки и выходную мощность.
Вдохновленные химией бетадина, широко используемого антисептика, исследователи из Университета Монаша нашли способ улучшить скорость заряда и разряда аккумуляторов Li-S. Антисептик содержит поливинилпирролидон (ПВП), синтетический полимер, который может реагировать с другими молекулами, образуя соединения с различными свойствами.
Использование ПВП в качестве катализатора в аккумуляторах Li-S ускоряет химические реакции, способствуя более высокой скорости заряда и разряда.
Лучше, безопаснее, экологичнее
«Наш катализатор значительно улучшил показатели C-rate аккумуляторов Li-S, продемонстрированные в ранних прототипах ячеек для проверки концепции», — сказал Майнак Маджумдер, профессор Университета Монаша, который руководил исследованием. «При коммерческом масштабировании и более крупном производстве ячеек эта технология может обеспечить плотность энергии до 400 Вт·ч/кг».
Для сравнения, литий-ионные аккумуляторы имеют плотность энергии 150 — 235 Вт·ч/кг. Более высокая плотность энергии аккумулятора Li-S может обеспечить движение электромобилей еще на 600 миль (1000 км), способствуя переходу на электрифицированный транспорт.
Что делает батареи Li-S еще более особенными, так это то, что они также могут достигать быстрых скоростей разряда. «Это делает их хорошо подходящими для приложений, требующих динамических характеристик, таких как авиация, где батареи должны выдерживать высокие показатели C-rates во время взлета и эффективно переключаться на низкие показатели C-rates во время крейсерского полета», — добавил Маджумбер в пресс-релизе.
Добавление катализатора не только сокращает время зарядки, но и делает батареи более безопасными, поскольку ранее они были склонны к коротким замыканиям и возгораниям. Батареи Li-S также более экологичны, поскольку им не требуется кобальт, добыча которого является энергоемким процессом. Сера широко доступна и недорога.
«Представьте себе электромобиль, который может проехать от Мельбурна до Сиднея на одной зарядке, или смартфон, который заряжается за считанные минуты, — мы находимся на пороге того, чтобы сделать это реальностью», — добавил Петар Йованович, научный сотрудник Университета Монаша и соавтор статьи, в которой результаты исследования были опубликованы в журнале Advanced Engineering Materials .