Инженеры создали "идеальные" литий-серные аккумуляторы: в чем их преимущества

Американские инженеры из Калифорнийского университета в Сан-Диего разработали литий-ионные аккумуляторы, которые выдерживают экстремальные температуры. Подробности исследования раскрыли на официальном сайте научного учреждения.

Ученые получили универсальный электролит — вещество, проводящее электрический ток при распаде молекул на ионы, который не разрушается по воздействием очень сильные жару и холод, а также совместим с высокоэнергетическими электродами (анодом и катодом). Его изготовили из жидкого раствора дибутилового эфира, смешанного с литием в виде соли. Молекулы такого спирта слабо связываются с ионами лития, а потому электролиту проще отдавать частицы во время работы батареи. Электролит улучшает работу обоих электродов, сохраняя высокую проводимость и стабильность между фазами.

Дибутиловый эфир повышает производительность при низких температурах и легко выдерживает тепло благодаря высокой температуре кипения — 141 градус Цельсия. Во время испытаний прототипы выдержали температуру от -40 до 50 градусов Цельсия, сохранив при этом 87,5% и 115,9% энергоемкости соответственно. У батарей также зафиксировали высокий кулоновский КПД (98,2% и 98,7%), указывающий, что они могут выдержать больше циклов зарядки и разрядки, прежде чем они перестанут работать.

Как рассказал руководитель проекта профессор наноинженерии Чжэн Чэн, новая технология позволит электромобилям не терять заряд в холодную погоду и дальше проехать, а также снизить мощность систем охлаждения. Как правило, аккумуляторы располагаются очень близко к днищу транспортных средств, из-за чего они дополнительно нагреваются от горячих дорог в жарком климате.

"Кроме того, батареи нагреваются просто от того, что во время работы проходит ток. Если аккумуляторы не выдержат такой прогрев при высокой температуре, их производительность быстро ухудшится", — объяснил Чэн.

Электролит можно использовать в литий-серных батареях, в которых анод состоит из металлического лития, а катод — из серы. Такие аккумуляторы обещают более высокую плотность энергии — почти в два раза выше традиционных литий-ионных и при этом значительно дешевле. Благодаря этому можно заставить электронику и электродвигатели работать в два раза дольше, не увеличивая вес машины. Серу намного проще добывать, чем кобальт, который выступает электродов в обычных батареях.

Проблема литий-серных аккумуляторов заключается в сверхреактивности катода и анода — они попросту растворяются в электролите во время работы, и процесс ускоряется при высоких температурах. Литий-металлические аноды склонны к образованию игольчатых структур под названием дендриты, способных пробивать части батареи, вызывая короткое замыкание. В результате литий-серные батареи работают только несколько десятков циклов.

Поэтому команда разработала серный катод, привив его к полимеру для большей стабильности. Это предотвращает растворение серы в электролите. В дальнейшем ученые планируют масштабировать химический состав батареи, оптимизировать ее для работы при еще более высоких температурах и увеличить срок службы.

"Если вам нужна батарея с высокой плотностью энергии, вам обычно следует использовать очень жесткую и сложную химию. Высокая энергия означает, что происходит больше реакций, что означает меньшую стабильность, большую деградацию. Создание стабильной высокоэнергетической батареи само по себе является сложной задачей, а попытка сделать это в широком диапазоне температур еще сложнее", — отметил руководитель исследования.

Ранее ученые создали надежную натриевую батарею для замены литиевых. Они смогли исправить главные недостатки технологии — короткий срок службы и низкую плотность хранения энергии.

Другая группа ученых собрала "живой" аккумулятор с бактериями, которые неделями создают электричество для устройств. Они объединили в одной камере несколько видов микроорганизмов, выполняющих разные задачи и поддерживающие друг друга.