Новая литий-серная батарея сможет в пять раз увеличить запас хода электромобилей

Сеть арамидных нановолокон, переработанных из кевлара, может позволить литий-серным батареям преодолеть их ахиллесову пяту срока службы — количество циклов заряда-разряда.

Предыдущими исследованиями ученых удавалось получать несколько сотен циклов заряда-разряда для литий-серных аккумуляторов, но это достигалось за счет ухудшения других параметров — емкости, скорости зарядки, отказоустойчивости и безопасности.

В настоящее время задача состоит в том, чтобы создать аккумулятор, в котором можно увеличить количество циклов от прежних 10 до сотен, и он смог бы удовлетворять множеству других требований, включая стоимость.

В новом исследовании биомиметическая инженерия этих батарей объединила два масштаба — молекулярный и наномасштаб. Ученым удалось впервые объединить ионную селективность клеточных мембран и прочность элементов.

Схема батареи показывает, как ионы лития могут возвращаться к литиевому электроду, в то время как полисульфиды лития не могут пройти через мембрану, разделяющую электроды. Кроме того, остроконечные дендриты, растущие из литиевого электрода, не могут закоротить аккумулятор, пробив мембрану и достигнув серного электрода. Предоставлено: Ахмет Эмре, Kotov Lab.

Ранее команда исследователей полагалась на сети арамидных нановолокон, пропитанных электролитным гелем, чтобы остановить одну из основных причин короткого срока службы – не допустить образования дендритов, которые растут от одного электрода к другому, прокалывая мембрану. Было установлено, что прочность арамидных волокон останавливает дендриты.

Но у литий-серных аккумуляторов есть еще одна проблема: небольшие молекулы лития и серы формируются и перемещаются к литию, прикрепляясь к нему и уменьшая емкость аккумулятора. Мембрана должна позволять ионам лития перемещаться от лития к сере и обратно, а также блокировать частицы лития и серы, известные как полисульфиды лития.

Ученым удалось решить эти противоречия в новой батарее.

Достижение рекордных уровней для нескольких параметров для различных свойств материалов — это именно то, что сейчас необходимо для автомобильных аккумуляторов.

Конструкция новой батареи достаточно совершенна, а емкость и эффективность приближаются к теоретическим пределам. Она также может выдерживать экстремальные температуры автомобильной жизни, от жары при зарядке на ярком солнце до низкой температуры холодной зимы. Кроме того в ее литий-ионных электродах серы гораздо больше чем кобальта, а арамидные волокна аккумуляторной мембраны можно получать из старых бронежилетов.