Литий-серные (Li-S) батареи, учитывая их малый вес и теоретически высокую емкость, являются многообещающей альтернативой традиционным литий-ионным (Li-ion) батареям для крупномасштабных систем хранения энергии и электромобилей. Однако современные Li-S батареи страдают от низкого срока службы.
Теперь ученые из Института науки и технологий Кванджу (GIST) в Корее обнаружили, что новый каталитический материал способен значительно улучшить срок службы литий-серных батарей, придавая им большой коммерческий потенциал.
Проблема
Большинство современных электронных устройств работают на перезаряжаемых литий-ионных батареях. Но их емкость недостаточна для крупномасштабных систем хранения энергии. Li-S батареи могли бы быть полезны благодаря их более высокой теоретической емкости хранения энергии и более низкой стоимости.
Однако тот же механизм, который обеспечивает им всю эту мощность, мешает литий-серным батареям стать массовыми. В отличие от Li-ion, путь реакции в Li-S батареях приводит к накоплению твердого сульфида лития и жидких полисульфидов лития, что вызывает потерю активного материала из серного катода (положительно заряженного электрода) и коррозию литиевого анода (отрицательно заряженного электрода). Для улучшения срока службы батарей ученые искали катализаторы, которые могли бы сделать эту деградацию эффективно обратимой во время использования.
Прорыв
В недавнем исследовании, опубликованном в журнале ChemSusChem, ученые GIST сообщили о прорыве в увеличении срока службы литий-серных батарей. Профессор Чжэён Ли, руководивший исследованием, сказал:
В поисках нового электрокатализатора для литий-серных батарей мы вспомнили предыдущее исследование, которое мы проводили с оксалатом кобальта , где мы обнаружили, что отрицательно заряженные ионы легко поглощаются поверхностью этого материала во время электролиза. Это побудило нас предположить, что оксалат кобальта будет вести себя аналогично по отношению к сере в литий-серных батареях.
Чтобы проверить свою гипотезу, ученые сконструировали Li-S батарею, добавив слой оксалата кобальта на серный катод. Оксалат кобальта производится в процессе переработки литий-ионных батарей.
Действительно, наблюдения и анализы показали, что способность оксалата кобальта поглощать серу позволяла проводить восстановление и диссоциацию твердого сульфида лития и жидких полисульфидов лития. Кроме того, он подавлял диффузию жидких полисульфидов лития в электролит, поглощая их на своей поверхности, предотвращая их попадание на литиевый анод и возникновение реакции саморазряда. Эти действия в совокупности улучшили использование серы и уменьшили деградацию анода, тем самым повысив долговечность, производительность и емкость хранения энергии батареи.
Ли считает, что благодаря находкам команды, литий-серные батареи могут иметь будущее, которое не могут реализовать Li-ion. Он сказал:
Литий-серные батареи могут обеспечить эффективный электрический транспорт, например, беспилотные летательные аппараты, электробусы, грузовики и локомотивы, в дополнение к крупномасштабным устройствам хранения энергии.
Мы надеемся, что наши находки помогут приблизить литий-серные батареи на один шаг к коммерциализации для этих целей.
Фото: Michal Jamro/Pixabay