Литий-серные батареи потенциально могут хранить в 5-10 раз больше энергии, чем современные литий-ионные батареи, при гораздо меньших затратах. В современных литий-ионных батареях в качестве катода используется оксид кобальта — дорогой минерал, добываемый способами, наносящими вред людям и окружающей среде. Литий-серные батареи заменяют оксид кобальта серой, которая широко распространена и дешева, а ее стоимость составляет менее одной сотой цены кобальта.

Но есть одна загвоздка: химические реакции, особенно реакция восстановления серы, очень сложны и плохо изучены, а нежелательные побочные реакции могут закончить срок службы батарей задолго до того, как это произойдет с традиционными батареями.

Теперь исследователи под руководством химиков Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе Сянфэна Дуаня и Филиппа Соте расшифровали ключевые пути этой реакции. Эти результаты, изложенные в статье, опубликованной в журнале Nature , помогут точно настроить реакцию, чтобы улучшить емкость и срок службы батареи.

Реакция восстановления серы в литий-серной батарее включает 16 электронов для преобразования кольцевой молекулы серы из восьми атомов в сульфид лития в каталитической реакционной сети с многочисленными переплетенными ветвями и различными промежуточными продуктами, называемыми полисульфидами лития, и многими другими побочными продуктами.

Поскольку это такая сложная реакция, со множеством ответвляющихся друг от друга путей и множеством промежуточных продуктов, которые важны для продолжения реакции, ее было трудно изучить и еще труднее выяснить, на какие части реакции следует ориентироваться для повышения производительности батареи.

«Несмотря на обширные усилия, направленные на улучшение видимых характеристик литий-серных батарей , фундаментальный механизм реакции остается невыясненным», — сказал Дуан, автор-корреспондент и профессор химии и биохимии Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. «Основная ветвь этой реакционной сети, связанная с реакцией восстановления серы, остается темой серьезных дискуссий».

Особый интерес представляет побочная реакция, в которой полисульфидные промежуточные продукты мигрируют (так называемая челночная миграция) к металлическому литиевому аноду и реагируют с ним, потребляя как серу, так и литий, что приводит к потерям энергии и быстрому снижению емкости аккумулятора. Четкая идентификация ключевых промежуточных продуктов и лучшее понимание того, как эти промежуточные продукты производятся или потребляются, поможет ученым контролировать эту миграцию между электродами и минимизировать потери серы и лития.

Новое исследование впервые расшифровывает всю реакционную сеть, определяет доминирующий молекулярный путь и раскрывает решающую роль электрокатализа в изменении кинетики реакции.

Команда сначала использовала теоретические расчеты, чтобы наметить все возможные пути реакций и связанные с ними промежуточные продукты, а затем электрохимический и спектроскопический анализ для подтверждения результатов вычислений.

В производительности батареи преобладал Li 2 S 4 в качестве основного промежуточного продукта, и катализ оказался решающим для полного преобразования Li 2 S 4 в конечный продукт разряда (Li 2 S). Электроды на основе углерода, легированные серой и азотом, могут эффективно облегчить это преобразование.

Их исследование также показало, что промежуточный продукт Li 2 S 6 не участвует непосредственно в электрохимическом процессе, но присутствует в качестве значительного продукта побочных химических реакций и вносит значительный вклад в нежелательный эффект переноса полисульфида.

«Наше исследование дает фундаментальное понимание реакции восстановления серы в литий-серных батареях и демонстрирует, что правильно разработанный материал каталитического электрода может ускорить реакции зарядки и разрядки, смягчить побочные реакции и увеличить срок службы», — сказал Дуань.

«Сочетание аккумуляторных технологий и науки о катализе открывает новые возможности для быстрых и мощных устройств преобразования энергии», — сказал Соте, который является председателем по вопросам передового опыта Леви Джеймса Найта-младшего.