Литий-серные батареи должны обладать емкостью в пять раз большей, чем нынешние, но их проблема заключается в коротком сроке службы.
- Li-S батареи могут быть легче и дешевле литий-ионных элементов
- Им не нужно больше драгоценных металлов для функционирования.
- Самая большая проблема — малое количество циклов зарядки.
- Мембрана из переработанного кевлара должна стать решением проблемы.
Сегодня в мире аккумуляторов доминирует литий-ионная технология. Он имеет ряд известных недостатков, поэтому ряд людей работает над созданием лучшего решения. Многие из них говорили о батареях с твердым электролитом . Однако литий-серные (Li-S) ячейки также выглядят многообещающими, и ученые из Мичиганского университета, возможно, решили их самую большую проблему.
Проблема заключается в соединениях на аноде
О потенциале Li-S батарей известно уже давно, Европейская комиссия говорит о 2020 году. По сравнению с наиболее распространенными сегодня образцами, эти элементы имеют значительно более высокую плотность энергии. По данным американских исследователей, их емкость должна быть в пять раз больше, поэтому они могут быть меньше и намного легче при сопоставимом объеме хранимой электроэнергии.
Используемые материалы также говорят в пользу этого решения. Например, нет необходимости в кобальте, никеле или кадмии — драгоценных металлах, которые повышают цену нынешних батарей. Вырезая их, вы тем самым ограничиваете производственные затраты. Сера, с другой стороны, является отходом многих отраслей промышленности, поэтому состав также имеет положительное экологическое измерение.
Основным недостатком литий-серебряных батарей является их короткий срок службы, прототипы выдержали всего 10 циклов зарядки. Это было связано с накоплением соединений на аноде. Полисульфиды (соединения серы и лития) постепенно покрывали его поверхность, в то же время на нем росли древовидные литиевые структуры. Эти так называемые дендриты в конце концов достигают катода и вызывают короткое замыкание.
Теоретически за 3500 циклов заряда
Ученые из вышеупомянутого Мичиганского университета сообщают о прорыве в области литий-серебряных батарей, поскольку им удалось устранить их самую большую проблему. Предполагается, что решением проблемы станет мембрана из переработанного кевлара. Это остановит перенос полисульфида и предотвратит попадание дендритов на катод.
Текстильный барьер никак не ограничивает движение ионов лития. Отдельные частицы не могли быть разделены механически из-за их одинакового размера, поэтому исследователи черпали вдохновение в природе. Для придания необходимых свойств порам мембраны был придан положительный заряд.
Выбранное решение может обеспечить теоретический срок службы более 3500 циклов зарядки, говорится в исследовании, опубликованном в журнале Nature Communications. В реальных условиях она должна быть не менее 1 000. Этот показатель уже можно сравнить с литий-ионными ячейками.
Нам придется подождать несколько лет для производства
Команда ученых из Мичиганского университета — не единственная, кто работает над литий-серебряными батареями. Например, внимание привлек патент Томаша Казды, работающего в Технологическом университете Брно (VUT). Он хочет устранить недостатки технологии с помощью специальной модификации электродов, которая предотвращает негативные явления во время работы батареи.
Казда подал свою патентную заявку вместе с норвежской компанией Graphene Batteries, которая планирует производить литий-серные элементы. Он планирует, что первая часть его завода будет готова в 2024 г. Пока он не планирует производить продукцию для клиентов, а продолжает исследования и разработки.
В настоящее время только британская компания Oxis Energy производит Li-S батареи. По словам Казды, ее продукт рассчитан примерно на 100 циклов зарядки, но сама компания хочет достичь цифры 500 в течение двух лет. Для обычного коммерческого применения его батареи пока не очень подходят.
Нам придется подождать еще несколько лет для производства клеток с кевларовыми мембранами. Хотя они разрабатываются в первую очередь для электромобилей, они могут произвести революцию и в других областях. Это особенно характерно для бытовой электроники. Литий-серные батареи могут вернуть времена, когда мобильные телефоны достаточно было заряжать раз в неделю.
