ТЕГИ
Литий-серные источники питания, аккумуляторы литий-серные, материалы для катода
Литий-серные источники питания могут запасать в четыре-пять раза больший объем энергии, чем существующие в настоящее время литий-ионные аккумуляторы, однако на пути к их коммерциализации имеется целый ряд помех, которые надо устранить. Новая работа показывает, что для создания легких и дорогих источников питания, запасающих большое количество энергии, можно использовать серосодержащие полимеры, низкая практичность литий-серных источников питания связана с их низкой долговечностью.
Литий-ионные аккумуляторы литий-серные
Литий-ионные аккумуляторы могут выдержать до 1000 циклов разрядка/зарядка, а литий-серные с трудом набирают даже сотню таких циклов.
Катоды литий-серных аккумуляторов, изготовленные из элементной серы, реагируют с ионами лития, содержащимися в электролите, в результате чего через некоторое время электроды оказываются покрытыми слоем сульфида лития. Помимо затруднения доступа к электродам, это приводит к уменьшению количества серы в катоде, что понижает емкость аккумулятора, а также ведет к необратимым структурным изменениям электродов. Попытка увеличить срок службы литий-серных источников питания за счет инкапсуляции серы в наноматериале, что затрудняет ее диссоциацию из катода, однако такой катодный материал все равно нельзя назвать практичным из-за его высокой стоимости.
Задачу можно решить, используя электроды из серосодержащих полимеров, которые должны отличаться сравнительно невысокой стоимостью для крупномасштабного производства.
Сырье для получения таких полимеров также достаточно доступно – ежегодно в ходе переработки нефтяного сырья производится около 60 миллионов тонн элементной серы, большая часть из которой не находит практического применения. В прошлом году группа Пюна сообщала о способе трансформации элементной серы в недорогой материал для изготовления катода.
Цепочки из атомов серы и остатки диизопропилбензола
Нагрев серы до 185°C с последующим добавлением 1,3-диизопропилбензола позволяет получить полимер, содержащий цепочки из атомов серы и остатки диизопропилбензола. Органическая часть этого полимера не запасает энергию и не принимает участие в процессах, протекающих в аккумуляторе, а работает как пластификатор, увеличивающий срок службы катода. Решено найти наилучший материал для изготовления катода и протестировать его в источниках питания. В плоских круглых аккумуляторах (данные источники питания не только используются для того, чтобы гонять стрелки по циферблату наручных часов, но и для стандартных испытаний электродных материалов) было испытано 2032 сополимеров, различающихся содержанием серы.
Наилучшими свойствами обладает полимер, содержащий 90 процентов серы по массе. Источники питания, в которых использовался этот сополимер, отличались емкостью 1225 микроамперчас на грамм аккумулятора, через 100 циклов разрядка/зарядка емкость падала до значения 1005 микроамперчас/г, а через 500 циклов зарядка/разрядка – до 635 микроампер/г.
Используемого источника питания, новые материалы
Несмотря на почти двукратное падение емкости литий-серных аккумуляторов, следует отметить, что емкость обычного литий-ионного аккумулятора составляет 200 микроамперчас/г, хотя он и сохраняет такую емкость в течение 1000 циклов зарядка-разрядка. Несмотря на существенные шаги в направлении создания практически используемого источника питания, новые материалы, хотя и гораздо лучше прежних электродных материалов для литий-серных батарей, все же пока не могут обеспечить коммерциализацию и практическое использование аккумуляторов нового типа.
Литий-серные источники питания применение на практике
Выйти на рубеж устойчивой работы в течение минимум тысячи циклов зарядка/разрядка. Для достижения такой устойчивости Пюн с коллегами продолжает эксперименты с другими серосодержащими полимерами, обладающими свойствами, сходными с уже испытанными.
