Литий-серные батареи — и электромобиль проезжает в пять раз больше

Сейчас в электромобилях используются литий-ионные аккумуляторы, рассчитанные на 200-300 циклов зарядки. Предполагается, что им на смену придут литий серные АКБ, но у них есть несколько проблем. Во-первых, их можно перезарядить всего 10 раз. Во-вторых, в них происходит диффузия полисульфида лития и рост литиевых дендритов, что резко сокращает срок их службы.

Хотя до этого уже удавалось увеличить число циклов зарядки литий-серных аккумуляторов, но при это снижались их емкость, надежность и безопасность. Теперь у ученых из Мичиганского университета получилось устранить эти проблемы и создать литий-серный аккумулятор емкостью 1268 мАч/г и сроком службы более 3500 циклов.

Для этого в новом АКБ использована биомиметическая мембрана, которая представляющая собой сеть арамидных нановолокон, пропитанных с пропиткой электролитным гелем. Такая сверхпрочная преграда препятствует росту дендритов – жестких древовидных структур, которые часто образуются в литиевых батареях и растут от одного электрода к другому.

Также мембрана предотвращает объединение атомов лития и серы в полисульфиды, способное привести к резкому уменьшению емкости аккумулятора. Новая мембрана не только пропускает ионы лития от литиевого электрода к серному и обратно, но и задерживает полисульфиды лития.

Так как оба вида частиц имеют одинаковый размер, то задержать полисульфиды путем простого создания каналов в перегородке невозможно. Потому исследователи сымитировали поры в биологических мембранах и приложили к ним электрический заряд.

В результате полисульфиды лития прилипают к арамидным нановолокнам, после чего их отрицательные заряды начинают отталкивать такие же полисульфидные образования. А вот ионы лития, имеющие положительный заряд, по-прежнему могут свободно перетекать от одного электрода к другому.

При такой конструкции литий-серной батареи ее емкость близка к теоретически предельной (1675 мА·ч/г), и она также способна работать при низких и сверхвысоких температурах – до +80 ⁰С. И хотя реальный срок службы при быстрой зарядке может снижаться с 3500 до 1000 циклов, это все равно намного больше, чем возможности литий-ионных аккумуляторов. 

Преимущество литий-серных батарей также заключается в том, что сера – более распространенное вещество, чем кобальт, который применяется в литий-ионных АКБ. Это ведет к удешевлению производства аккумуляторов и как следствие – электромобилей.  К тому же арамидные волокна для биомиметической мембраны можно получить при переработке старых бронежилетов, что делает такие батареи более экологичными.