Международная группа ученых из Германии, Индии и Тайваня представила новую концепцию литий-серных аккумуляторов, способных сокращать время полной зарядки электромобиля до менее чем 30 минут, а отдельные образцы — до 12 минут.
Об этом сообщает ProIT
Преимущества и вызовы литий-серных батарей
С глобальным переходом на электротранспорт вопрос скорости зарядки становится все более актуальным. Традиционные литий-ионные батареи заряжаются от 20 до 80% за 20–30 минут, но полный цикл занимает значительно больше времени, а быстрая зарядка негативно сказывается на долговечности элементов. Исследование, проведенное учеными Кильского университета совместно с коллегами из Индии и Тайваня под руководством доктора Мозаффара Абдоллахиара, доказывает, что литий-серные аккумуляторы способны решить часть этих проблем и имеют потенциал превзойти современные Li-ion-аккумуляторы по производительности и скорости зарядки.
Ученые проанализировали сотни современных исследований и создали дорожную карту внедрения литий-серных батарей. Некоторые из них уже сейчас позволяют полностью зарядить аккумулятор всего за 12 минут. Основная конструкция состоит из серного катода и литий-металлического анода. Теоретическая энергетическая плотность таких аккумуляторов достигает 2600 ват·часов/кг, что в десять раз превышает аналогичный показатель литий-ионных ячеек. Это позволяет существенно увеличить запас хода электромобилей. К тому же сера является более доступной и дешевой по сравнению с кобальтом или никелем. Однако сера имеет низкую электропроводность, поэтому ее комбинируют с углеродными материалами, что увеличивает массу аккумулятора и усложняет его конструкцию.
Дополнительной проблемой является то, что серный катод во время зарядки испытывает объемные изменения до 80%, что негативно влияет на механическую стабильность и долговечность батареи. Также возникают трудности с перемещением промежуточных соединений полисульфида лития между катодом и анодом, которые могут вызывать нежелательные реакции и снижать эффективность. На литий-металлическом аноде, в свою очередь, образуются дендриты, которые при длительном использовании могут приводить к коротким замыканиям, а в отдельных случаях — даже к возгоранию аккумулятора.
Инновационные решения для повышения безопасности и эффективности
Как подчеркивает один из ведущих авторов исследования Якоб Офферман, решение проблемы роста дендритов является ключевым для безопасности аккумуляторов нового поколения. Ученые сосредоточили внимание на усовершенствовании катода с применением современных материалов, в частности графена, нанотрубок и пористых углеродных структур. Для ускорения реакций превращения серы и предотвращения миграции полисульфидов используются металлические оксиды и одноатомные катализаторы. Кроме того, активно исследуются новые типы сепараторов и высококонцентрированные электролиты, которые замедляют миграцию вредных соединений и обеспечивают высокий ионный обмен.
В приоритете остается стабилизация анода: исследователи тестируют защитные покрытия и трехмерные литиевые структуры, которые препятствуют образованию дендритов и продлевают срок эксплуатации батареи. Проводятся эксперименты с различными формами серы, например, с моноклинной гамма-серой, которая способна обеспечить твердофазную реакцию почти без побочного эффекта переноса. Для эффективной комбинации сложных материалов в батареях активно привлекается искусственный интеллект.
Первые прототипы литий-серных аккумуляторов уже демонстрируют энергетическую плотность около 2 мА·ч/см².
«Наш анализ показывает, что быстрая зарядка менее чем за 30 минут, а в некоторых случаях и менее чем за 15 минут, вполне реалистична и одновременно увеличивает емкость. Однако для того, чтобы литий-серные системы действительно превзошли литий-ионные, необходимы дальнейшие улучшения в загрузке материалов и структурной интеграции», — объясняет Мозаффар Абдоллахиар.
Ученые опубликовали результаты исследования в журнале Advanced Energy Materials.
