Уже сейчас лабораторные образцы показывают более высокую плотность хранения заряда, чем литиевые ячейки текущего поколения — около 350 Вт/кг, против примерно 150-200 Вт/кг для популярных литий-железо-фосфатных ячеек.
Статью можно прослушать
Ученые в США заставили серу отдать третий электрон — и на 58% увеличили емкость серного аккумулятора
Разработчики аккумуляторов нового поколения возлагают на серу много надежд. Этот недорогой материал, встречающий в изобилии в природе, способен сделать батареи более емкими и дешевыми. Для этого нужно разрешить некоторые технологические сложности.
Иллюстративное фото. Источник: Wikimedia Commons.
В будущем, сера может заменить редкоземельные элементы в аккумуляторах смартфонов и автомобилей.
Возможно, что их характеристики удастся еще повысить, выяснила команда ученых из Университета Вандербильта и Мэрилендского университета. Обычно сера вступает в реакции заряда-разряда, отдавая два электрона. Исследователи добавили в состав ячейки хлор, другой расхожий материал, и сера начала обмениваться третьим электроном. Лабораторные испытания показали, что при таком улучшении серный электрод позволял накапливать заряд примерно на 58% больше. Причем дополнительная реакция протекала при более высоком напряжении — 2,54 В против 2,05 В в традиционной реакции.
«Традиционный подход к литий-серным аккумуляторам оставлял часть окислительно-восстановительного потенциала серы незадействованной, — объяснил профессор химии Университета Вандербильта Де-эн Цзян. — Мы хотели выяснить, можно ли расширить эти возможности серы и накапливать больше энергии».
Продолжение ниже
Видео
Продолжение
Ради третьего электрона пришлось заменить электролит
Однако хлор создает в ячейке другую проблему: соединяясь с серой, он заставляет ее мигрировать по электролиту и вступать в реакцию с литиевым электродом. После этого аккумулятор не может быть снова заряжен.
Ученые смоделировали поведение ионов лития и хлорида в различных электролитах и нашли такое вещество, в котором продукт реакции серы и хлора практически не растворялся, а оставался внутри положительного электрода.
На 37% больше заряда
Для проверки исследователи создали и испытали прототип однослойного пакетного аккумулятора, приближенного по устройству к промышленным образцам. После 100 циклов заряда ячейка сохранила 78% своей первоначальной емкости, что для раннего лабораторного образца хороший результат. Его плотность хранения заряда достигла 477 Вт·ч/кг, что на 37% лучше обычных литий-серных систем и значительно лучше батарей современных электромобилей и гаджетов.
Открытие пока не открывает прямой путь к налаживанию производства серных аккумуляторов. В прототипе содержание серы было небольшим: он, скорее, подтвердил работоспособность идеи. Теперь предстоит долгий процесс его совершенствования.
Загружаем