Прорыв в аккумуляторах: новый подход к созданию мощных Li-S батарей
В последнее время внимание научного сообщества приковано к разработке высокоэнергетических аккумуляторов, среди которых особое место занимают литий-серные (Li-S) батареи. Эти батареи представляют собой многообещающую альтернативу широко распространенным литий-ионным аккумуляторам благодаря потенциально высокой энергетической плотности, доступности серы на Земле, а также их потенциальной экологичности и стоимости.
Однако, несмотря на эти преимущества, практическое внедрение Li-S аккумуляторов сталкивается с рядом серьезных препятствий. Среди них - низкий срок службы циклов и высокая скорость саморазряда, а также значительное падение энергетической плотности при реальной эксплуатации из-за высоких скоростей зарядки и разрядки.
Ключевую роль в обеспечении высокой ёмкости Li-S батарей играет реакция восстановления серы (SRR). Несмотря на широкое изучение, кинетические тенденции этой реакции при высоких токах до сих пор остаются малоизученными. В новом исследовании ученых из Университета Аделаиды, Тяньцзиньского университета и Австралийского синхротрона был предложен подход, который позволяет лучше понять эти кинетические тенденции и способствует разработке высокомощных Li-S батарей.
Основой работы стало введение нанокомпозитного углеродного электрокатализатора с кластерами CoZn, который показал значительное улучшение работы Li-S батарей, достигнув сохранения ёмкости разряда около 75%. Использование принципа Ле Шателье позволило установить кинетическую тенденцию SRR, коррелирующую концентрации полисульфидов с кинетическими токами. Это открытие не только улучшает понимание механизма работы Li-S батарей, но и открывает путь к разработке новых катализаторов, способствующих повышению их энергетической плотности и циклической стабильности.
Интеграция нового электрокатализатора в ячейку Li-S аккумулятора и тестирование его производительности показали обнадеживающие результаты. При температуре 8 градусов Цельсия аккумуляторная ячейка смогла выдержать 1000 циклов зарядки-разрядки, демонстрируя сохранение ёмкости на уровне примерно 75% (с конечной удельной ёмкостью 500 мАч/г S), что соответствует начальной удельной мощности 26,120 Вт/кг S и удельной энергии 1,306 Вт·ч/кг S.
Это значительное достижение подтверждает теоретические вычисления и экспериментальные измерения, демонстрируя, что увеличение концентрации полисульфидов способствует ускорению кинетики SRR. Таким образом, катализаторы, увеличивающие концентрацию полисульфидов, могут способствовать ускорению данной реакции. Этот результат является важным шагом на пути к разработке новых высокомощных технологий Li-S аккумуляторов.
На основе полученных данных исследователи предложили электрокатализатор, который уже показал свою способность улучшать сохранение ёмкости и циклическую стабильность Li-S батареи. В будущем, эти наработки могут вдохновить на создание других перспективных катализаторов, способствующих разработке новых технологий высокомощных Li-S аккумуляторов.
