Аккумуляторы повсюду в повседневной жизни, от сотовых телефонов и смарт-часов до растущего числа электромобилей. Большинство этих устройств используют хорошо известную технологию литий-ионных аккумуляторов. И хотя литий-ионные батареи прошли долгий путь с момента их первого появления, у них есть и некоторые знакомые недостатки, такие как короткий срок службы, перегрев и проблемы с цепочкой поставок для определенных видов сырья.
Ученые из Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE) ищут решения этих проблем, тестируя новые материалы в конструкции аккумуляторов. Одним из таких материалов является сера. Сера чрезвычайно распространена и экономически эффективна и может удерживать больше энергии, чем традиционные батареи на основе ионов.
В новом исследовании исследователи продвинулись в исследованиях аккумуляторов на основе серы, создав слой внутри аккумулятора, который увеличивает емкость хранения энергии, почти устраняя традиционную проблему с серными аккумуляторами, вызывающую коррозию.
В многообещающей конструкции батареи серосодержащий положительный электрод (катод) сочетается с отрицательным электродом (анодом) из металлического лития. Между этими компонентами находится электролит или вещество, которое позволяет ионам проходить между двумя концами батареи.
Ранние литий-серные (Li-S) батареи плохо работали, потому что частицы серы (полисульфиды) растворялись в электролите, вызывая его коррозию. Этот эффект полисульфидного челнока отрицательно влияет на срок службы батареи и снижает количество перезарядок батареи.
Чтобы предотвратить это перемещение полисульфидов, предыдущие исследователи пытались поместить окислительно-восстановительный неактивный промежуточный слой между катодом и анодом. Термин «редокс-неактивный» означает, что материал не вступает в реакции, как в электроде. Но эта защитная прослойка тяжелая и плотная, что снижает емкость аккумуляторной батареи на единицу веса. Это также не уменьшает должным образом челночные движения. Это оказалось серьезным препятствием для коммерциализации Li-S аккумуляторов.
Чтобы решить эту проблему, исследователи разработали и испытали пористую серосодержащую прослойку. Испытания в лаборатории показали, что начальная емкость Li-S элементов с этой активной, а не неактивной прослойкой примерно в три раза выше. Еще более впечатляюще то, что элементы с активным промежуточным слоем сохраняли высокую емкость более 700 циклов заряда-разряда.
«Предыдущие эксперименты с клетками, имеющими окислительно-восстановительный слой, только подавляли челночное движение, но при этом они жертвовали энергией для данного веса клетки, потому что слой добавлял дополнительный вес», — сказал Гилян Сюй, химик из Аргонны и соавтор исследования. бумага. «Напротив, наш окислительно-восстановительный слой увеличивает емкость хранения энергии и подавляет эффект челнока».
Для дальнейшего изучения окислительно-восстановительного слоя команда провела эксперименты на линии луча 17-BM Аргоннского усовершенствованного источника фотонов (APS), пользовательского объекта Управления науки Министерства энергетики США. Данные, собранные при воздействии рентгеновских лучей на клетки с этим слоем, позволили команде установить преимущества промежуточного слоя.
Данные подтвердили, что редокс-активный промежуточный слой может уменьшить челночное движение, уменьшить вредные реакции внутри батареи и увеличить способность батареи удерживать больше заряда и работать в течение большего количества циклов. «Эти результаты показывают, что окислительно-восстановительный слой может оказать огромное влияние на разработку Li-S аккумуляторов », — сказал Вэньцянь Сюй, ученый из APS. «Мы на шаг ближе к тому, чтобы увидеть эту технологию в нашей повседневной жизни ».
В дальнейшем команда хочет оценить потенциал роста технологии окислительно-восстановительных прослоек. «Мы хотим попытаться сделать его намного тоньше и легче», — сказал Гуйлян Сюй.
