Напредок во литиум-сулфурните батерии - новиот дизајн на катода прави батерии со густа енергија
Новиот дизајн на катода ги прави батериите густи во енергија потрајни и помоќни
Подобрен концепт на батеријата: Истражувачите им дадоа на литиум-сулфурните батерии поголема моќност и долговечност - со нов дизајн на катодата за сулфур. Ова спречува дегенерација на електродата на сулфур дури и со подебели слоеви на сулфур и дозволува густини на моќност поголема од 1.200 милиампер часови на грам, како што објавија истражувачите во списанието „Science Advances“. Ова може да ги направи батериите литиум-сулфур практично употребливи во иднина.
Литиум-јонските батерии се наоѓаат во скоро сите мобилни уреди, во електричните автомобили и во многу други апликации на батерии денес. Но, овие батерии имаат некои слабости: Тие можат да експлодираат, да го изгубат капацитетот со текот на времето и нивната густина на енергија не е оптимална - ова, меѓу другото, го ограничува опсегот на електрични автомобили. Затоа истражувачите ширум светот бараат помоќни алтернативи на литиум-јонските батерии; литиум-метални батерии, натриум-јонски батерии или литиум-сулфурни батерии се сметаат за кандидати.
Сулфур наместо графит
Како катода, литиум-сулфурните батерии користат мешавина од сулфур и јаглерод. Кога батеријата е испразнета, металниот литиум на анодата реагира со сулфурот и формира литиум сулфид, со што се ослободува електрична енергија. Теоретски, литиум-сулфурните батерии постигнуваат скоро оптимално висока енергетска густина - и затоа може значително да го зголемат опсегот на електрични автомобили со помала тежина.
Но, во пракса овие батерии имаат улов: со текот на времето, структурата и волуменот на катодата драстично се менуваат. Како резултат, перформансите на батеријата значително се намалуваат со секој циклус на полнење. „Овој несакан ефект на распаѓање на електродата станува се поизразен со зголемувањето на дебелината на катодата“, објаснуваат Махдохт Шајбани од Универзитетот Монаш во Австралија и нејзините колеги.
Затоа истражувачите веќе произведоа долготрајни батерии со литиум-сулфур со високи перформанси како копчиња, но на поголемите батерии им недостасува век на траење.
Микроструктура на катодата оптимизирана
Шаибани и нејзиниот тим сега најдоа решение за овој проблем со скалирање. Имате развиено катоди за сулфур, чијашто структура ги минимизира промените во волуменот, дури и со поголеми батерии. Јадрото на концептот е врзувачкиот агенс изработен од натриум карбоксиметил целулози (Na-CMC), кој ги држи сулфурот и јаглеродот заедно на катодата и со тоа има одлучувачко влијание врз однесувањето и микроструктурата.
Истражувачите развија метод на производство за нивната нова батерија со литиум-сулфур што го дистрибуира врзувачкото средство поефикасно и во исто време пофино во катодниот материјал. „Ова овозможува формирање на механички силни мостови помеѓу материјалите и создава катоди со единствена архитектура“, известуваат Шајбани и нејзините колеги. „Овие катоди имаат големи површини на реакција, можат да го издржат стресот на полнење и имаат висока електрична спроводливост и пропустливост на јони“.
Висока ефикасност и капацитет
Но, што всушност носи ова? За да го тестираат ова, истражувачите конструирале сулфурни катоди врз основа на новиот дизајн и ги вградиле во ќелии на торбички - поголеми батерии со флексибилни обвивки, како што се оние што се користат во електричните возила. Тестот покажа дека овие катоди постигнале капацитет повеќе од 1.200 милиампер часови на грам - ова е околу три пати поголема од вредноста на конвенционалните литиум-јонски батерии.
Но, уште поважно: батериите литиум-сулфур тешко изгубија ништо од својата моќ дури и по повеќе од 200 циклуси на полнење. „Такво ниво на одржлив капацитет досега беше недостижно за катодите на сулфур со оваа дебелина“, наведуваат научниците. Во исто време, нејзината катода постигна ефикасност од 99 проценти. „Колку што знаеме, оваа комбинација на одлична стабилност и ефикасност на циклусот е единствена за катодите со толку висока содржина на сулфур“, известуваат тие.
Ефтин, поеколошки и лесен за производство
Според истражувачите, нивниот метод на производство го решава проблемот со скалирање на батериите литиум-сулфур и со тоа нивната висока густина на енергија може да ја направи употреблива во пракса во иднина. „Овој пристап не само што ни дава батерии со високи перформанси и долг работен век, тие исто така се лесни и ефтини за производство“, објаснува коавторот Метју Хил од австралиската истражувачка организација ЦСИРО.