Исследование: батареи на основе лития и серы имеют больший запас энергии

Исследователи Кембриджского университета разработали композитный материал, состоящий из серы и наноструктурированного углерода, который может использоваться в качестве катода батареи и при этом обеспечивать гораздо больший запас энергии при значительно меньшей стоимости по сравнению с традиционными материалами.

Согласно разработчикам новая технология даёт в 2 раза больший запас энергии при меньшей стоимости по сравнению с батареями, используемыми в портативной электронике, электромобилях, космическом и военном оборудовании.

Батареи, используемые в подобных устройствах, традиционно основаны на литии и оксиде металла, например кобальта, марганца или никеля. Катод, или положительный электрод, является одним из 3 главных компонентов батареи наряду с анодом (отрицательным электродом) и электролитом. Материалы для катода являются самыми дорогими при производстве батарей. Их стоимость составляет от 35 до 40% от суммарных затрат.

«Использование серы вместо материалов, которые сейчас задействованы в ионно-литиевых батареях, может значительно снизить производственные затраты, поскольку стоимость серы составляет доли от стоимости других материалов, – говорит один из разработчиков материала, Кэнь Жень с инженерного факультета Кембриджского университета. – Если же сравнивать с традиционными ионно-литиевыми батареями, то электроды на базе углерода и серы достигают в 2 раза большей плотности энергии на единицу веса».

Новые электроды производятся путём выращивания «леса» высококачественных углеродных нанотрубок (CNT) на слое металлической пены. Структура CNT обладает превосходной электрической проводимостью и ведёт себя как 3-мерная рабочая площадка, в которую вводится сера для формирования катода.

Структура из серы находится внутри границ рабочей площадки в виде небольших частиц, содержащих электроны. Пористая структура металлической пены в сочетании с плотной вертикальной укладкой углеродных нанотрубок формирует лабиринт с большой площадью поверхности для удержания материала электрода.

Несмотря на высокую плотность и низкую стоимость, коммерческое развитие литий-серных аккумуляторов значительно пострадало от их короткого периода эксплуатации, обычно составляющего 80 циклов зарядки/разрядки. Для сравнения, традиционные ионно-литиевые аккумуляторы обычно поддерживают до 500 таких циклов. Новый композитный материал на основе серы и нанотрубок углерода значительно расширяет жизненный цикл литий-серных аккумуляторов. После 250 циклов разрядки/зарядки ёмкость аккумулятора составляет 80% от первоначальной.

Данная работа является результатом совместной деятельности групп Джона Робертсона, профессора инженерного факультета, а также Васанта Кумара с факультета металлургии и материаловедения.

Для коммерциализации технологии Кэнь Жень, исследователь в группе Робертсона совместно со студентами Бинем Ченом и Каи Кси собрал устройство CamBattery.

Пока что число циклов разрядки/зарядки, достигнутое литий-серными батареями, не достаточно для выхода на рынок устройств потребительской электроники, космического и военного оборудования. «Для военных и космических технологий запас энергии является более приоритетным по сравнению со сроком эксплуатации, ¬– говорит Жень. – Несмотря на это, мы и дальше будем работать для повышения срока эксплуатации, чтобы он стал подходящим для потребительской электроники и электромашин».