Довговічніші, місткіші, дешевші, ніж літій-іонні: Новостворені літій-сірчані акумулятори з йодом несуть революцію в галузі електромобілів та побутової техніки

Електроди з йоду і сірки дадуть змогу електромобілям удвічі довше їздити без підзарядки, зберігаючи ті самі розміри.

Група вчених з Університету Каліфорнії в Сан-Дієго (США) знайшла самовідновлювальний матеріал, який допоможе створити поліпшені акумулятори з сірки та літію. Вони опублікували статтю про дослідження в журналі Nature.

Фізики давно намагаються створити твердотілі літій-сірчані батареї, оскільки теоретично вони є найкращою альтернативою наявним літій-іонним батареям, що наразі живлять у смартфонах та іншій техніці, завдяки більшому запасу енергії та нижчій вартості. Вони були б дуже корисні для електромобілів, адже здатні подвоїти запас ходу без збільшення ваги чи розміру.

Згадані акумулятори складаються з твердого електроліту, анода з металевого літію і катода з сірки. Головною проблемою виявилися катоди (електроди з негативним полюсом) — сірка погано проводить електрони, тож вони можуть розширюватися та стискатися під час заряджання, а отже, пошкоджуватися в процесі роботи. Однак тепер вчені виготовили новий матеріал для електродів катод у вигляді кристала з сірки і йоду. Йод підвищує провідність катода в 100 мільярдів разів.

"Ми дуже раді відкриттю цього нового матеріалу. Різке збільшення електропровідності сірки є несподіванкою і дуже цікавим з наукового погляду", — передає сайт EurekAlert слова Піна Лю, професора наноінженерії та директора Центру сталої енергетики та енергетики Каліфорнійського університету в Сан-Дієго.

Мало того, новий кристалічний матеріал має низьку температуру плавлення — 65 градусів за Цельсієм (149 градусів за Фаренгейтом) — чашка кави може бути гарячішою. Це означає, що катод можна легко розплавити після заряджання і відновити частини, пошкоджені після кількох циклів. Це важлива функція, яка дасть змогу літій-сірчаному акумулятору прослужити набагато довше.

За словами професора наноінженерії Шуе Пінг Онг, співавтора дослідження, відкриття допоможе випустити літій-сірчані батареї на комерційний ринок. Йод руйнує міжмолекулярні зв'язки, що утримують молекули сірки разом, рівно настільки, щоб знизити температуру її плавлення до оптимального рівня — вищого за кімнатний, але досить низького для регулярного плавлення.

"Низька температура плавлення нашого нового катодного матеріалу робить можливим ремонт інтерфейсів, що є давно шуканим рішенням для цих батарей, — сказав співавтор дослідження Цзяньбінь Чжоу. — Цей новий матеріал є перспективним рішенням для майбутніх твердотілих батарей з високою щільністю енергії".

Щоб перевірити ефективність нового катодного матеріалу, дослідники сконструювали тестову батарею і піддали її повторюваним циклам зарядки і розрядки. Акумулятор залишався стабільним протягом понад 400 циклів, зберігаючи при цьому 87 відсотків своєї місткості.

"Здатність батареї самовідновлюватися просто завдяки підвищенню температури може значно подовжити загальний термін служби батареї, створюючи потенційний шлях до реального застосування твердотілих батарей", — прокоментував співавтор дослідження Крістофер Брукс, головний науковий співробітник дослідницького інституту Honda в США.

Команда працює над подальшим розвитком технології твердотілих літій-сірчаних акумуляторів шляхом вдосконалення конструкції елементів і розширення їхнього формату.

"Хоча ще багато чого належить зробити для створення життєздатної твердотілої батареї, наша робота є значним кроком. Ця робота стала можливою завдяки тісній співпраці між нашими командами в Каліфорнійському університеті в Сан-Дієго та нашими партнерами з досліджень у національних лабораторіях, наукових колах і промисловості", — додав Пін Лю.