Ученые создали литий-серный аккумулятор нового поколения

Ученые из Университетов Вандербильта и Мэриленда сделали важный шаг в развитии литий-серных аккумуляторов — технологии, считающейся одним из самых перспективных для будущего электромобилей. По сравнению с современными литий-ионными батареями серные элементы намного легче, значительно дешевле в производстве и не нуждаются в дефицитных материалах типа кобальта или никеля. Главное достижение ученых состоит в разработке новой химической реакции с добавлением хлора, благодаря которой удалось существенно увеличить объем накопленной энергии и поднять рабочее напряжение

Сера давно привлекает внимание разработчиков батарей благодаря способности удерживать огромный электрический заряд и доступности в промышленных масштабах. Впрочем, ее массовому внедрению в автоиндустрию мешало низкое рабочее напряжение и быстрая деградация материала. В обычной литий-серной батарее каждый атом серы при работе обменивается только двумя электронами, тогда как добавление хлора заставило реакцию привлечь третий электрон, кардинально изменив эффективность системы

Результаты лабораторных тестов оказались поразительными

Емкость серы накапливать заряд выросла на 58%, а среднее рабочее напряжение ячейки поднялось с 2,05 до 2,54 Вольта. В пересчете на массу чистой серы удельная энергия превысила 1700 Вт-ч/кг. Конечно, в реальном готовом аккумуляторе этот показатель окажется ниже из-за дополнительной массы литиевого анода, электролита, сепаратора, токосъемников и защитной оболочки

Основным технологическим препятствием для исследователей стало соединение серы с хлором, образованное во время зарядки. Она легко растворялась в стандартных жидких средах и вступала в нежелательные реакции с литиевым анодом, быстро портя аккумулятор. Для решения этой проблемы учёные с помощью компьютерного моделирования подобрали особый состав электролита. В нем нежелательное соединение почти не растворяется и остается внутри положительного электрода, делая химический процесс стабильным и обратимым

Новый электролит помог стабилизировать реакцию

Для практической проверки разработки ученые собрали тестовый прототип – небольшую однослойную пакетную ячейку. После 100 полных циклов зарядки и разрядки батарея сохранила 78% начальной емкости, подтвердив жизнеспособность концепции

Прототип сохранил 78% емкости после 100 циклов

По расчетам авторов эксперимента, с учетом массы всех необходимых компонентов, реальная удельная энергия такой батареи может достигнуть 477 Вт-ч/кг. Это примерно на 37% больше показателей классических литий-серных аналогов без использования хлора. Впрочем, цифры еще предстоит подтвердить в ходе испытаний полноценных коммерческих образцов

Несмотря на очевидный прорыв, до появления подобных аккумуляторов в серийных электромобилях пройдет немало времени. Исследователям необходимо дополнительно повысить ресурсоемкость батареи, увеличить долю серы в структуре электрода и уменьшить объем жидкого электролита. Лишь после решения этих инженерных задач станет понятна готовность технологии к массовому конвейерному производству