Литий-серные батареи способны хранить в пять раз больше энергии, чем любые коммерческие современные литий-ионные аккумуляторы (Li-ion) такого же размера. Но у них есть ряд недостатков. Самый серьезный — постепенное вымывание серы из катода, что уменьшает емкость и существенно снижает срок службы (по сравнению с литий-ионными). Команда из Мичиганского университета придумала способ устранить этот существенный «минус». Ученые использовали естественную мембрану на основе кевларовых нановолокон, которая повышает стабильность и позволяет Li-S батарее работать более тысячи циклов. Подробно работа описана в журнале Nature Communications.
«Задача состояла в том, чтобы создать батарею, которая увеличивает частоту циклов с прежних 10 до сотен и удовлетворяет множество других требований, включая стоимость», — отметил Николай Котов, руководитель исследовательской группы.
Известны другие исследования, в которых литий-серные аккумуляторы выдерживали несколько сотен циклов заряда-разряда, но это было достигнуто за счет изменения других параметров: увеличения емкости, скорости зарядки и т. д.
Котов и его коллеги использовали арамидные нановолокна кевлара, из которых сделали сеть, имитирующую структуру клеточных мембран (np-ANF). Затем материал пропитали электролитным гелем для предотвращения нарастания дендритов. Эти игольчатые образования являются распространенной причиной отказа батарей — растут от одного электрода к другому, прокалывая мембрану.
При циклировании Li-S батареи мелкие частицы лития и серы, известные как полисульфиды лития, попадают в литий и снижают емкость. Команда решила эту проблему, интегрировав в искусственную мембрану крошечные биологические каналы и добавив электрический заряд, который отталкивает частицы, позволяя положительно заряженным ионам лития свободно течь от лития к сере и обратно.
«Биомиметическая инженерия
Биомиметические наноматериалы или биомиметики — искусственные наноматериалы, имитирующие свойства биоматериалов или созданные на основе принципов, реализованных в живой природе. этих батарей соединила два масштаба — молекулярный и наномасштаб. Впервые мы объединили ионную селективность клеточных мембран и прочность хрящей. Наш интегрированный системный подход позволил решить основные проблемы, связанные с литий-серными батареями», — сказал Котов.
По его словам, результатом этой так называемой ионной селективности стала литий-серная батарея с «почти идеальной» конструкцией. Устройство может похвастаться эффективностью, приближающейся к теоретическим пределам, и в пять раз большей емкостью, чем у стандартной Li-ion батареи.
Если получится вывести улучшенные Li-S аккумуляторы на рынок, то электромобили могли бы проходить в пятеро большее расстояние от одной зарядки. Мичиганские ученые считают, что в реальных условиях с технологией быстрой зарядки их батареи смогут работать около 1000 циклов, т. е. прослужить около 10 лет. Также сера является более распространенной, чем кобальт, используемый в литий-ионных батареях. Арамидные волокна можно получать из старых пуленепробиваемых жилетов, что в целом сделает литий-серные аккумуляторы более экологичными
Электрокар по цене «бензинки»: как выбрать и купить подержанный Smart ED (Electric Drive)?
