Благодаря нанотехнологиям литий-серные батареи выходят на новый уровень

Специалисты проявляют всё больше интереса к новым литий-серным батареям. В качестве важного шага на пути дальнейшей разработки этого типа аккумуляторов учёные предлагают использовать пористые углеродные наночастицы в качестве несущего материала катода для достижения максимально возможной ёмкости и стабильности циклов перезарядки.

Число и разнообразие мобильных электронных устройств неуклонно растёт и ширится. Результатом тихой мобильной революции стал неудержный спрос на мощные, лёгкие аккумуляторы небольшого размера. Поскольку потенциал для дальнейшего улучшения «классических» литий-ионных батарей практически исчерпан, специалисты проявляют всё больше интереса к литий-серным батареям, «новым и многообещающим».
В качестве важного шага на пути дальнейшей разработки этого типа аккумуляторов научная группа под руководством Томаса Байна из Мюнхенского университета (Германия) и Линды Назар из Университета Ватерлоо (Канада) предлагает использовать пористые углеродные наночастицы, абсорбирующие молекулы серы для достижения наибольшей аккумуляционной эффективности.
Подробности работы можно найти в статье, появившейся 10 апреля в европейском журнале Angewandte Chemie.

Литий-серная батарея. Показаны упорядоченные мезопористые углеродные наночастицы, заполненные молекулами серы (жёлтые). (Иллюстрация Thomas Bein / LMU Munich.)

В прототипах литий-серных батарей ионы лития обмениваются между литий- и сероуглеродным электродами. Сере в этой системе отведена очень специфическая роль: при идеальном стечении обстоятельств она способна абсорбировать два иона лития на каждый свой атом. Таким образом, потенциально это прекрасный материал для аккумуляции энергии, в том числе благодаря низкому весу. В то же время (к величайшему сожалению) сера — слишком плохой проводник.
Чтобы улучшить эту простую, но, увы, малопригодную конструкцию, учёные подготовили серу таким образом, чтобы максимально увеличить эффективную площадь контакта для облегчения трансфера электронов, соединив её с наноструктурным проводящим материалом.
Ради этого были созданы взаимосвязанные сферические мезопористые углеродные наночастицы, характеризующиеся широкими порами с размером от 3 до 6 нм, которые позволяют распределить молекулы серы максимально равномерно по всей этой углеродной сетке. В этом случае, как оказалось, практически каждая молекула серы доступна для взаимодействия с ионами лития и одновременно достигается максимальный контакт между серой и проводящим углеродом.
Словом, учёным удалось достичь начальной ёмкости в 1 200 мА•ч/г и достойной стабильности циклов перезарядки.
Но более неожиданным плюсом применённой схемы с пористыми наночастицами стало, пожалуй, то, что углеродная структура заодно уменьшает проблему полисульфидов, которые образуются в качестве промежуточных продуктов в электрохимическом процессе и могут оказывать необратимое негативное влияние на циклы зарядки–разрядки. Исследователи сумели покрыть углеродный материал тонким слоем оксида кремния, способным эффективно препятствовать образованию полисульфидных депозитов без снижения проводимости.
Подготовлено по материалам Мюнхенского университета.

источник: science.compulenta.ru