Літієво-сірчані батареї (скорочено Li-S) є перспективними кандидатами на заміну звичайних літій-іонних батарей в електромобілях, оскільки вони дешевше, менше важать і можуть зберігати майже вдвічі більше енергії для тієї ж маси. Однак літій-сірчані батареї з часом стають нестабільними, а їхні електроди погіршуються, що обмежує їх широке поширення.
Тепер група дослідників, очолювана вченими Національної лабораторії Лоренса Берклі (Berkeley Lab) Міністерства енергетики США, повідомила, що новий елемент для літієво-сірчаної батареї дозволяє подвоїти пропускну здатність у порівнянні зі звичайною літієво-сірчаною батареєю навіть після більш ніж 100 циклів зарядки при високих щільностях струму, які є ключовими показниками ефективності для їх використання в електромобілях (V).
Вони зробили це, розробивши нове полімерне зв'язуюче, яке активно регулює ключові процеси перенесення іонів у літієво-сірчаній батареї і також показали, як воно функціонує на молекулярному рівні. Про це нещодавно повідомлялося в Nature Communications.
«Новий полімер діє як стіна», - говорить Бретт Хелмс, науковий співробітник лабораторії Берклі і автор дослідження. "Сірку завантажують у пори вуглецевого матеріалу, які потім запечатуються нашим полімером. Оскільки сірка бере участь у хімічних реакціях батареї, полімер запобігає блуканню негативно заряджених сполук сірки ".
Коли літій-сірчана батарея зберігає і вивільняє енергію, хімічна реакція викликає появу молекул сірки, які від'єднуються від електрода, що призводить до його деградації і, в кінцевому підсумку, до зменшення ємності батареї. Щоб зробити ці батареї більш стабільними, дослідники традиційно працювали над створенням захисних покриттів для своїх електродів і розробкою нових полімерних зв'язуючих. Ці зв'язувальні речовини призначені для контролю або пом'якшення набухання і розтріскування електрода.
Нове зв'язуюче йде ще далі. Вчені з дослідницького центру Organic Synthesis Facility, розробили полімер, який утримує сірку в безпосередній близькості від електрода шляхом виборчого зв'язування молекул сірки, протидіючи його міграційним тенденціям.
Наступним кроком було зрозуміти динамічні структурні зміни, які можуть виникнути під час зарядки і розрядки, а також при різних станах заряду. Девід Прендергаст, який керує Інститутом ливарного виробництва, і Тод Паскаль, побудували симуляцію, щоб перевірити гіпотези дослідників про поведінку полімеру.
«Тепер ми можемо надійно і ефективно моделювати хімію сірки в цих зв'язуючих речовинах, ґрунтуючись на вивченні детального квантовомеханічного моделювання розчинених сіровмісних продуктів», - заявив Прендергаст.
Їх великомасштабне моделювання молекулярної динаміки, проведене на суперкомп'ютері в Національному науково-обчислювальному центрі наукових досліджень в Берклі (NERSC), підтвердило, що полімер має властивість до зв'язування молекул рухомої сірки, а також передбачило, що полімер, ймовірно, буде показувати можливість для зв'язування різних видів сірки при різних станах заряду батареї.
Дослідницька група також вивчила роботу літій-сіковмісних осередків, виготовлених з використанням нового полімерного зв'язуючого. Завдяки набору експериментів вони змогли проаналізувати і кількісно оцінити, як полімер впливає на швидкість хімічної реакції в сірчаному катоді, що є ключем до досягнення високої щільності струму і високої потужності батареї.
"зв'язуюче, катійний поліелектроліт, полегшує перенесення літій-іона через його реконфігуровану мережу мобільних аніонів і обмежує дифузію полісульфіду з мезопористих атомів вуглецю аніонним метатезсом, який, як ми показуємо, є селективним для вищих олігомерів. Ці атрибути дозволяють працювати з комірками > 100 циклів з відмінною швидкістю, використовуючи катоди з питомими навантаженнями сірки до 8,1 мг см-2.
Майже подвоюючи електричну потужність батареї при тривалому циклюванні, новий полімер піднімає планку потужності літій-сірчаних батарей.
Комбіноване розуміння синтезу, теорії та характеристик нового полімеру зробило його ключовим компонентом у прототипі літієво-сіковмісної комірки в Об'єднаному центрі досліджень енергоємних сховищ (JCESR).