ДАЛЛАС (СМУ) – Литий-серные батареи никогда не реализовывали свой потенциал в качестве следующего поколения возобновляемых батарей для электромобилей и других устройств. Но инженер-механик SMU Донхай Ван и его исследовательская группа нашли способ продлить срок службы этих Li-S батарей – с более высоким уровнем энергии – чем существующие возобновляемые батареи.

Исследовательской группе удалось предотвратить нежелательный побочный эффект Li-S-батарей, известный как растворение полисульфида, который проявляется со временем и сокращает срок их службы.

«Этот прорыв может привести к созданию более прочных и долговечных батарей», — сказал Ван, председатель кафедры машиностроения Фонда Брауна и профессор машиностроения в SMU Lyle. Его исследования сосредоточены на разработке и синтезе наноструктурированных функциональных материалов и технологий хранения энергии, таких как литий-ионные батареи, а также за пределами литий-ионной технологии.

Исследование, опубликованное в журнале Устойчивое развитие природы показывает, что недавно разработанный командой гибридный полимерный сетчатый катод позволяет Li-S батареям выдавать более 900 мАч/г (миллиампер-часы на грамм массы) по сравнению с типичной емкостью 150-250 мАч/г в литий-ионных батареях. Это означает, что он может сохранить гораздо большее количество электрической энергии.

«Он также обеспечивает превосходную циклическую стабильность, превосходя обычные литий-серные батареи», — сказал Ван.

Циклическая емкость измеряет количество раз, которое аккумулятор может заряжаться и разряжаться, прежде чем его емкость резко ухудшится. Более высокая циклическая емкость означает более длительный срок службы батареи.

В разработке катода Вангу помогали исследователи из Университета штата Пенсильвания, Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории, Брукхейвенской национальной лаборатории, Университета Иллинойса в Чикаго и Аргоннской национальной лаборатории.

Экономичное решение, обеспечивающее больше энергии

Что делает Li-S аккумуляторы такими перспективными в качестве источника возобновляемой энергии, так это то, что они более экономичны и могут удерживать больше энергии, чем традиционные перезаряжаемые батареи на ионной основе.

Но есть ключевая проблема с этими батареями.

«На протяжении многих лет производители аккумуляторов пытались смягчить негативные последствия растворения полисульфидов», — сказал Ван.

Все аккумуляторы имеют положительную и отрицательную клеммы. Внутри батареи химическая реакция, которая постоянно происходит между этими двумя клеммами, обеспечивает питание батареи или электричество.

В случае аккумуляторов Li-S серосодержащий положительный электрод или клемма, называемая катодом, соединена с литий-металлическим отрицательным электродом, называемым анодом. Между этими компонентами находится электролит или вещество, которое позволяет ионам проходить между двумя концами батареи.

Однако сера далека от идеального материала для электрода.

Когда ионы лития связываются с атомами серы на катоде, они создают растворимые молекулы полисульфида, которые дрейфуют в электролит, вызывая деградацию катода и снижая способность батареи выдерживать несколько циклов зарядки. Это известно как растворение полисульфида.

Ван и его команда нашли способ решить эту проблему, используя то, что они назвали катодом с гибридной полимерной сеткой.

«В нашем катоде используются множественные связующие серы, атомная адсорбция и быстрый литий-ионный/электронный транспорт на молекулярном уровне», — объяснил Ван. «Эта комбинация позволяет в реальном времени повторно связывать и адсорбировать любые несвязанные виды серы, тем самым эффективно удаляя растворимые полисульфиды и продлевая срок службы батареи».

О СМУ

SMU — глобальный исследовательский университет национального уровня в динамичном городе Даллас. Выпускники, преподаватели и более 12 000 студентов SMU в восьми школах, присуждающих ученые степени, демонстрируют предпринимательский дух, возглавляя изменения в своих профессиях, сообществах и мире.