Смогут ли литий-серные аккумуляторы прийти на замену современным литий-ионным батареям: кратко о главном

Литий уже довольно давно является ключевым компонентом в большинстве современных аккумуляторов. Учёные активно изучают новые материалы и их комбинации с целью создания электродов, способных хорошо аккумулировать большее количество лития. Основной задачей является разработка максимально компактных и высокоэффективных источников питания. Одним из перспективных вариантов является использование кремния, другим – серы, обладающей впечатляющим потенциалом. Литий-серные аккумуляторы (Li-S, Li-Sulfur) представляют собой инновационную технологию аккумуляторов с катодом на основе серы. Эта разработка претендует на замену литий-ионных аккумуляторов и может стать следующим этапом развития перезаряжаемых источников питания. Теоретически способ хранения и полноценного выделения энергии с применением литий-серной электрохимической системы увеличит ёмкость элементов в пять раз, чем у литий-ионных при схожем размере и весе.

Сера является многовалентным неметаллом, который может взаимодействовать с литием по двухэлектронной реакции, обеспечивая высокую теоретическую удельную ёмкость примерно 1675 мА·ч на грамм в минус первой степени, когда как у литий-ионных этот показатель меньше 300, в 5 раз выше энергетическая плотность, лучше технические характеристики, чем у литий-ионных, в 30 раз дешевле в производстве при налаженной промышленности.

Минусы литий-серных аккумуляторов

Тем не менее, литий-серные аккумуляторы всё ещё не решили ряд физических проблем и осложнений при эксплуатации. Изолирующая природа Серы и её продукт восстановления (Li2S) приводят к нестабильному соответствию фактической и теоретической гравиметрической ёмкости.

Химические реакции внутри от чрезмерного растворения и миграции полисульфидов лития в органических электролитах приводит к стремительному снижению ёмкости и уменьшению кулоновской эффективности. Срок службы оказывается плачевным, работа нестабильна, КПД быстро падает.

  • Сложности с перезарядкой и стабильностью;
  • низкий КПД;
  • срок службы в среднем до 150 циклов (от 50 и в теории до 1000 при решении проблем стабильности);
  • всё ещё исследуются и мало опытных образцов.

Где намерены применять литий-серные аккумуляторы

  • Электромобили и спецтехника на электромоторах;
  • Хранилища электроэнергии в масштабах городов (например, в одном регионе энергобаланс с перевесом в потребление, в другом с избытком);
  • Использование в космических аппаратах, автономных станциях, зондах.

Где уже используются литий-серные батареи?

  • Аккумуляторные ячейки SION Power Corporation и Oxis Energy для электромобилей 350 Вт·ч/кг в минус первой степени;
  • Глубинные подводные аппараты (до 6000 м) по заказу Национального океанографического центра США;
  • Бескоррозионные высоковольтные элементы питания Аргоннской нацлаборатории США для беспилотников (и в перспективе для гигантских электропогрузчиков);
  • Кардиостимуляторы, имплантируемые электронные медицинские устройства (безопасно, высокой ёмкости без частых зарядок хватает на много лет).

Преимущества серы и проблемы ее использования

Целый отвал серы. Источник

Сера хороша тем, что найти ее можно практически везде, стоит она немного.  Дополнительный плюс — относительная легкость атомов по сравнению с другими материалами для электродов. Поэтому разработчики аккумуляторов ее используют.

Давно известны натриево-серные батареи. Их преимущество в использовании очень распространенных и недорогих элементов — Na и S. Но такие аккумуляторы работают только при высоких температурах, когда оба материала плавятся. Литий-серные батареи, напротив, способны нормально функционировать при обычной температуре. Правда, у таких батарей есть несколько проблем.

Во-первых, элементарная сера — очень плохой проводник электричества, поэтому ее приходится распределять в сетке из проводящего материала. Задача усложняется. Для сравнения: графит, широко применяемый в обычных батареях, не только хорошо проводит электричество, но и эффективно концентрирует Li благодаря своей слоистой структуре. В литий-серных батареях литий накапливается в форме соединения Li₂S, оно занимает гораздо больше пространства, чем исходная элементарная сера.

Во-вторых, химические реакции лития с серой идут медленно. Один из продуктов — короткие цепочки серы. Проблема в том, что они перемещаются к противоположному электроду и там вызывают дополнительные химические реакции. Такой процесс приводит к самопроизвольной разрядке батареи, а сера становится недоступной для дальнейшего использования. Это значительно сокращает срок службы элемента питания.

Первые поколения литий-серных батарей теряли свои свойства уже после нескольких сотен циклов зарядки. Но специалисты с течением времени научились создавать батареи, которые по характеристикам приближаются к Li-ion. В конце 2023 года сообщалось о строительстве первой в мире крупной фабрики для массового производства литий-серных батарей.

Li-S-батареи — успешный успех?

Недавние исследования, проведенные объединенной командой китайских и немецких ученых, должны были найти решение для одной чисто аккумуляторной проблемы. А именно — медленной реакции между ионами лития и серой. Причем она проходит через несколько этапов с образованием промежуточных соединений, таких как полисульфиды лития (например, Li₂S₆, Li₂S₄ и Li₂S₂). А они уже сокращают срок службы батареи. Почему?

Есть три основные причины:

  • полисульфиды растворимы в жидких электролитах, поэтому могут перемещаться между анодом и катодом;
  • вызывают побочные реакции, которые фактически «разряжают» батарею;
  • уменьшают количество доступной серы, сокращая емкость батареи и ее срок службы.

Ученые предложили два решения. Прежде всего — использовать твердые электролиты. Они не дают растворимым вредным для аккумулятора соединениям серы перемещаться между электродами.

Схема разряда литий-серного аккумулятора. Источник

А еще у таких материалов пористая структура с высоким уровнем диффузии ионов лития. Еще одно преимущество в том, что поры, которые легко пропускают компактные ионы Li, препятствуют прохождению более крупных ионизированных цепей серы.

Сначала ученые использовали специальное стекло, полученное из смеси бора, серы и лития (B₂S₃ и Li₂S). Но его проводимость оказалась низкой, поэтому пришлось заменить часть компонентов фосфором и йодом. Последний и стал ключевым, играя роль электронного медиатора. Он ускоряет реакции на электроде, выполняя роль посредника в передаче электронов. К тому же благодаря низким температурам плавления и кипения йод может перемещаться внутри электролита, помогая компенсировать медленную скорость реакций между литиевым электролитом и серой.

Результаты и перспективы

Использование нового электролита помогло добиться впечатляющих результатов. Батареи с новинкой можно очень быстро заряжать. Например, при скорости в 50С (полный заряд всего за минуту) батарея пополнилась до 50% от уровня «коллеги», заряжаемой в 25 раз медленнее (2С, полчаса до полного заряда). Обычный аккумулятор при сверхбыстрой зарядке удерживает гораздо меньший заряд, чем 50%, в некоторых случаях возможно даже повреждение элемента питания. А здесь, благодаря новому электролиту, все отлично.

Долговечность батарей оказалась высокой: даже при средней скорости зарядки (5С) более 80% первоначальной емкости сохранялось после 25 000 полных циклов. Для сравнения: литий-ионные батареи достигают такого уровня деградации уже через 1 000 циклов.

Пока что этот проект — научно-исследовательский, ему далеко до коммерческой реализации. Но если все получится, у нас появится еще один тип элементов питания с высокой емкостью и скоростью заряда. Такие батареи могут стать идеальным решением для стационарных систем хранения энергии, где долгожительство и устойчивость к ежедневным циклам важнее веса.

Почитать по теме:

Автор: @BiktorSergeev
Источник: https://habr.com/