Вчені створили літій-сірчаний акумулятор нового покоління

Науковці з Університетів Вандербільта та Меріленду зробили важливий крок у розвитку літій-сірчаних акумуляторів — технології, яку вважають однією з найперспективніших для майбутнього електромобілів. Порівняно із сучасними літій-іонними батареями, сірчані елементи набагато легші, значно дешевші у виробництві та не потребують дефіцитних матеріалів на кшталт кобальту чи нікелю. Головне досягнення вчених полягає у розробці нової хімічної реакції з додаванням хлору, завдяки якій вдалося суттєво збільшити обсяг накопиченої енергії та підняти робочу напругу

Сірка вже давно привертає увагу розробників батарей завдяки здатності утримувати величезний електричний заряд та доступності у промислових масштабах. Утім, її масовому впровадженню в автоіндустрію заважала низька робоча напруга та швидка деградація матеріалу. У звичайній літій-сірчаній батареї кожен атом сірки під час роботи обмінюється лише двома електронами, тоді як додавання хлору змусило реакцію залучити третій електрон, кардинально змінивши ефективність системи

Результати лабораторних тестів виявилися вражаючими

Ємність сірки накопичувати заряд зросла на 58%, а середня робоча напруга комірки піднялася з 2,05 до 2,54 Вольта. У перерахунку на масу чистої сірки питома енергія перевищила 1700 Вт-год/кг. Звісно, у реальному готовому акумуляторі цей показник виявиться нижчим через додаткову масу літієвого анода, електроліту, сепаратора, струмознімачів і захисної оболонки

Основною технологічною перепоною для дослідників стала сполука сірки з хлором, утворена під час заряджання. Вона легко розчинялася в стандартних рідких середовищах і вступала в небажані реакції з літієвим анодом, швидко псуючи акумулятор. Для розв’язання цієї проблеми вчені за допомогою комп’ютерного моделювання підібрали особливий склад електроліту. У ньому небажана сполука майже не розчиняється та залишається всередині позитивного електрода, роблячи хімічний процес стабільним і оборотним

Новий електроліт допоміг стабілізувати реакцію

Для практичної перевірки розробки науковці зібрали тестовий прототип — невелику одношарову запаковану комірку. Після 100 повних циклів заряджання та розряджання батарея зберегла 78% початкової ємності, підтвердивши життєздатність концепції

Прототип зберіг 78% ємності після 100 циклів

За розрахунками авторів експерименту, з урахуванням маси всіх необхідних компонентів реальна питома енергія такої батареї може досягти 477 Вт-год/кг. Це приблизно на 37% більше за показники класичних літій-сірчаних аналогів без використання хлору. Утім, цифри ще належить підтвердити під час випробувань повноцінних комерційних зразків

Попри очевидний прорив, до появи подібних акумуляторів у серійних електромобілях мине ще чимало часу. Дослідникам необхідно додатково підвищити ресурсоємність батареї, збільшити частку сірки в структурі електрода та зменшити об’єм рідкого електроліту. Лише після розв’язання цих інженерних завдань стане зрозумілою готовність технології до масового конвеєрного виробництва