США разрабатывают мощный электролит для увеличения срока службы литий-серных аккумуляторов, энергии и эффективности:
Исследователи разработали усовершенствованные литий-серные (Li-S) аккумуляторы с инновационными добавками к электролиту для решения основных проблем, связанных с ними.
Аккумуляторы Li-S сталкиваются с такими проблемами, как плохое смачивание электролита и медленный перенос ионов в толстых серных катодах, особенно в практических условиях.
Новое исследование показывает, что добавка кислоты Льюиса (LAA), ранее считавшаяся неподходящей, может образовывать равномерный межфазный слой внутри катода, улучшая перенос ионов.
Используя передовые методы и моделирование, исследователи подтверждают этот подход, предлагая новые знания о взаимодействии электролита и катода и прокладывая путь к улучшению характеристик Li-S-аккумуляторов.
Группа ученых из Аргоннской национальной лаборатории (ANL) Министерства энергетики США утверждает, что новая конструкция электролита может повысить плотность энергии, снизить стоимость и увеличить срок службы.
Усовершенствование Li-S-аккумуляторов
По мере того, как мир становится все более электрифицированным, ученые со всего мира соревнуются в создании еще более совершенных «выше литий-ионных» аккумуляторов, несмотря на тот факт, что литий-ионные аккумуляторы до сих пор пользовались огромным успехом.
В коммерческих литий-ионных аккумуляторах используются относительно дорогие материалы, такие как соединения кобальта и никеля, которые также сильно зависят от нестабильных цепочек поставок и имеют более низкую плотность энергии, чем альтернативные аккумуляторы.
Li-S-аккумуляторы, в которых используется серный катод и литий-металлический анод, являются одними из самых жизнеспособных заменителей литий-ионных аккумуляторов. Эта комбинация электродов использует ресурсы, которые легко доступны на Земле, и обещает в два-три раза большую плотность энергии и меньшие затраты.
Литий-серные аккумуляторы сталкиваются с такими проблемами, как короткий цикл жизни, вызванный миграцией полисульфида и неравномерными химическими реакциями. В отличие от литий-ионных аккумуляторов, которые хранят ионы лития между катодными слоями, литий-серные аккумуляторы полагаются на химические реакции, в которых сера превращается в растворимые полисульфиды.
По словам исследователей, это вызывает эффект «челнока», откладывая материал на аноде и снижая производительность. Стратегии решения этой проблемы включают добавки к электролиту, которые ранее считались несовместимыми из-за их химической реакции с серным катодом и другими компонентами батареи.
Стабильные растворы лития
Чтобы справиться с этими проблемами, команда ANL разработала новый класс добавок, которые повышают производительность аккумулятора. Тщательно управляя взаимодействием добавок с соединениями серы, исследователи успешно создали улучшенный интерфейс между катодом и электролитом, обеспечивающий более плавный транспорт литий-ионов.
«Добавка, называемая добавкой кислоты Льюиса, представляет собой соль, которая реагирует с полисульфидными соединениями, образуя пленку по всему электроду. Главное — чтобы была незначительная реакция для формирования пленки, без непрерывной реакции, которая расходует материал и снижает плотность энергии», — сказал в своем заявлении химик ANL и руководитель исследования Гуйлианг Сюй.
Добавка образует защитную пленку на аноде и катоде, подавляя эффект челнока, стабилизируя ячейку и способствуя эффективному переносу ионов. Такая конструкция электролита минимизирует растворение серы и улучшает однородность реакции, позволяя использовать ранее несовместимые добавки.
Исследователи сравнили новый электролит с обычным, наблюдая значительное снижение образования и растворения полисульфида, подтвержденное с помощью передовых рентгеновских методов. Отслеживая реакции во время зарядки и разрядки, результаты показали, что конструкция электролита эффективно смягчает проблемы перемещения полисульфида.
Команда утверждает, что улучшенный интерфейс также улучшает перенос ионов, уменьшая несоответствия реакций и решая основные проблемы производительности литий-серных аккумуляторов.
«Мы считаем, что благодаря дальнейшей оптимизации и разработке серных электродов аккумуляторы Li-S смогут достичь более высокой плотности энергии и лучшей общей производительности, что будет способствовать их коммерческому внедрению», — сказал Сюй в своем заявлении.
Стабильность и безопасность литиевого металла по-прежнему остаются серьезными проблемами для Li-S-батарей из-за их реактивности и воспламеняемости электролита. Исследователи разрабатывают более безопасные и стабильные электролиты.
Современные рентгеновские методы, используемые в усовершенствованном источнике фотонов ANL, включая абсорбционную спектроскопию, дифракционную визуализацию и флуоресцентное картирование, позволили выявить растворимость полисульфида, однородность клеточных реакций и миграцию серы, что позволило получить представление о том, как решить эти проблемы и улучшить производительность аккумулятора.
Подробности исследования группы были опубликованы в журнале Joule.
Прочитайте что такое взгляд в будущее
Читайте ещё статьи из Рубрики: инновации-технологии-наука