Литий-серные батареи: новая надежда рынка элементов питания?

Литий давно стал ^[1] основным компонентом большинства современных батарей. Современные ученые исследуют новые материалы и их соединения, чтобы разработать электроды, способные накапливать больше лития. В первую очередь для создания компактных и эффективных элементов питания. Один из возможных вариантов — кремний, второй — сера: ее свойства открывают впечатляющие перспективы. Об этом и поговорим дальше.

Преимущества серы и проблемы ее использования

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 ^[3] 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 ^[4] о строительстве первой в мире крупной фабрики для массового производства литий-серных батарей.

Li-S-батареи — успешный успех?

Недавние исследования ^[1], 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.

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 ^[6] (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:

• От Li-Ion к Li-S: новый тип аккумуляторов работает даже разрезанный пополам ^[7]

• Гравитационные аккумуляторы становятся все популярнее: перспективы технологии ^[8]

• Безопасные и недорогие аккумуляторы? С цинком и натрием это может стать реальностью ^[9]