Новый литий-серный катод для высокоэффективной батареи

Теоретически, литий-серные батареи способны хранить в 10 раз больше энергии, чем литий-ионные, но обычно они стремительно теряют это свойство при многократной зарядке и разрядке

Сингапурские ученые из NanoBio Lab (NBL), A*STAR исследуют новый подход к изготовлению литий-серных катодов следующего поколения, которые должны упростить обычно трудоемкий и сложный процесс их производства. Это многообещающий шаг к коммерциализации литий-серных батарей, учитывающий потребность промышленности в расширении производства новых материалов.

Сейчас литий-ионная батарея признана передовой технологией, но она имеет свои недостатки, такие как ограниченная емкость и проблемы с безопасностью из-за присущей ей электрохимической нестабильности.

Это может измениться благодаря разработке нового метода производства литий-серных катодов из недорогих коммерчески доступных материалов. Высокая теоретическая плотность энергии, низкая стоимость и изобилие серы должны способствовать популярности систем литиево-серных батарей в качестве потенциальной замены литий-ионных аналогов.

Теоретически, литий-серные батареи способны хранить в 10 раз больше энергии, чем литий-ионные, но обычно они стремительно теряют это свойство при многократной зарядке и разрядке. Новый литий-серный катод продемонстрировал превосходную удельную емкость до 1220 мА∙ч/г, означающую, что 1 грамм этого материала может хранить 1220 мА∙ч заряда.

Для сравнения, типичный литий-ионный катод имеет удельную энергетическую емкость 140 мА∙ч/г. Кроме того, новый литий-серный катод может поддерживать свою высокую емкость в течение 200 циклов зарядки с минимальными потерями в производительности. Ключом к этому стал уникальный подход по подготовке катода.

Сначала, перед добавлением источника серы, создается углеродная структура, чтобы получить трехмерный взаимосвязанный пористый наноматериал. Этот подход предотвращает разрушение углеродного каркаса литий-серного катода при зарядке батареи, в отличие от катодов, изготовленных традиционным способом, которые разрушаются во время начального цикла зарядки и разрядки. Фактически, новый литий-серный катод показал на 48% более высокую удельную емкость, после добавления в материал большего количества серы.

«Было показано, что методика приготовления серных катодов оказывает сильное влияние на электрохимические характеристики литий-серных батарей». «Метод является промышленно масштабируемым и ожидается, что он окажет значительное влияние в будущем на конструирование литий-серных батарей».

Исследователи работают над проектированием и оптимизацией не только катода, но также анода, сепаратора и электролита с помощью наноматериалов. Литий-серная батарея, которая обладает более высокой емкостью накопления энергии, чем обычная литий-ионная батарея, станет более полезной для электронных приборов, электрических транспортных средств и аккумуляторов энергии электрических сетей.

 

Источник: https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2019.104114