Новости перспективных технологий

Серный катод из наночастиц эффективнее и долговечнее обычного

Изображение с сайта science.compulenta.ru

Группа американских технологов под руководством адъюнкт-профессора Стэнфордского университета И Цуя (Yi Cui) создала новый серный катод для литиевых аккумуляторов. Полученной батарее свойствен как высокий уровень живучести (70% ёмкости сохраняется даже после 1 000 циклов разряда-заряда), так и приличные механические характеристики.

Сера без оболочки (вверху) и в плотно прилегающей оболочке (в центре) была непрактична. Незакреплённое защитное покрытие наконец-то позволило сдвинуться с мертвой точки. (Иллюстрация Yi Cui et al.)

Хотя теоретически анод на основе серы значительно устойчивее обычного, до сих пор проблема заключалась в том, что при зарядке-разрядке он контактировал с литием и в итоге литиево-сульфидные соединения выводились из состава катода. Кроме того, присоединение ионов лития к сере приводило к увеличению объёма материала катода на 80%, что значительно больше, чем, скажем, расширение воды при замерзании, — с соответствующим, увы, механическим повреждением прилегающих районов батареи. Ну а применить защитное покрытие, которое не давало бы сере растворяться в катоде, было невозможно: такое покрытие при увеличении объёма частиц серы просто разрушилось бы.

И Цуй собрал катод на основе наночастиц серы, окружённых твёрдой оболочкой из пористого диоксида титана. При этом объём наночастицы серы значительно меньше пространства, предоставляемого её внешней оболочкой. Поэтому расширение первой не приводит к растрескиванию второй. Вместе с тем ионы легко проходят через тонкий слой диоксида титана, а оболочка препятствует растворению соединений серы и лития в электролите.

Наночастицы, составляющие катод, имеют 800 нм в диаметре, что примерно в сто раз тоньше человеческого волоса. Какова будет стоимость столь тонкой работы при массовым производстве батарей подобного рода? На этот вопрос разработчики пока не готовы ответить прямо. Но уже сейчас видны возможные плюсы новых аккумуляторов. Серный катод запасает впятеро больше энергии на единицу веса серы, чем лучшие коммерческие образцы. И если обычная литиевая батарея теряет 20% ёмкости через каждые 500 циклов, то новый тип аккумуляторов расстаётся с 30% ёмкости лишь через 1 000 циклов.

Ранее группа г-на Цуя продемонстрировала весьма эффективный кремниевый анод, также с яйцевидной незакреплённой оболочкой (сейчас для анодов в литиевых батареях используют менее эффективный углерод). В ближайшее время исследователи намерены объединить новый серный катод с кремниевым анодом, чтобы в ходе длительных испытаний проанализировать производительность новых батарей.

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Nature Communications.

Информация с сайта science.compulenta.ru по материалам Phys.Org.

Автор оригинального текста: Александр Березин.