Міжнародна група вчених із Німеччини, Індії та Тайваню презентувала нову концепцію літій-сірчаних акумуляторів, здатних скорочувати час повного заряджання електромобіля до менш ніж 30 хвилин, а окремі зразки — до 12 хвилин.
Про це розповідає ProIT
Переваги та виклики літій-сірчаних батарей
Із глобальним переходом на електротранспорт питання швидкості заряджання стає все більш актуальним. Традиційні літій-іонні батареї заряджаються від 20 до 80% за 20–30 хвилин, але повний цикл займає значно більше часу, а швидке заряджання негативно впливає на довговічність елементів. Дослідження, здійснене науковцями Кільського університету разом із колегами з Індії та Тайваню під керівництвом доктора Мозаффара Абдоллахіфара, доводить, що літій-сірчані акумулятори здатні вирішити частину цих проблем і мають потенціал перевершити сучасні Li-ion-акумулятори за продуктивністю й швидкістю зарядки.
Вчені проаналізували сотні сучасних досліджень і створили дорожню карту впровадження літій-сірчаних батарей. Деякі з них вже зараз дозволяють заряджати акумулятор повністю всього за 12 хвилин. Основна конструкція складається із сірчаного катода та літій-металевого анода. Теоретична енергетична щільність таких акумуляторів досягає 2600 ват·годин/кг, що вдесятеро перевищує аналогічний показник літій-іонних осередків. Це дозволяє суттєво збільшити запас ходу електромобілів. До того ж сірка є доступнішою та дешевшою за кобальт чи нікель. Однак сірка має низьку електропровідність, тому її комбінують із вуглецевими матеріалами, що збільшує масу акумулятора і ускладнює його конструкцію.
Додатковою проблемою є те, що сірчаний катод під час заряджання зазнає об’ємних змін до 80%, що негативно впливає на механічну стабільність й довговічність батареї. Також виникають труднощі із переміщенням проміжних з’єднань полісульфіду літію між катодом та анодом, які можуть спричиняти небажані реакції та знижувати ефективність. На літій-металевому аноді, своєю чергою, утворюються дендрити, котрі під час тривалого використання здатні призводити до коротких замикань, а в окремих випадках — навіть до займання акумулятора.
Інноваційні рішення для підвищення безпеки та ефективності
Як наголошує один із провідних авторів дослідження Якоб Офферман, вирішення проблеми зростання дендритів є ключовим для безпеки акумуляторів нового покоління. Вчені зосередили увагу на вдосконаленні катода із застосуванням сучасних матеріалів, зокрема графену, нанотрубок і пористих вуглецевих структур. Для пришвидшення реакцій перетворення сірки й запобігання міграції полісульфідів використовують металеві оксиди та одноатомні каталізатори. Крім того, активно досліджуються нові типи сепараторів і висококонцентровані електроліти, які уповільнюють міграцію шкідливих сполук і забезпечують високий іонний обмін.
У пріоритеті залишається стабілізація анода: дослідники тестують захисні покриття й тривимірні літієві структури, що перешкоджають утворенню дендритів і подовжують термін експлуатації батареї. Ведуться експерименти з різними формами сірки, наприклад, із моноклінною гамма-сіркою, яка здатна забезпечити твердофазну реакцію майже без побічного ефекту перенесення. Для ефективної комбінації складних матеріалів у батареях активно залучають штучний інтелект.
Перші прототипи літій-сірчаних акумуляторів вже демонструють енергетичну щільність близько 2 мА·год/см².
«Наш аналіз показує, що швидка зарядка менш ніж за 30 хвилин, а в деяких випадках і менш ніж за 15 хвилин, цілком реалістична і одночасно збільшує ємність. Однак для того, щоб літій-сірчані системи дійсно перевершили літій-іонні, необхідні подальші покращення у завантаженні матеріалів та структурної інтеграції», — пояснює Мозаффар Абдоллахіфар.
Науковці опублікували результати дослідження у журналі Advanced Energy Materials.