В США в Университете Вандербильта и других организациях разработали литий-серный аккумулятор с удельной энергией более 1700 Вт·ч на килограмм серы

Репортаж от Wedoany，Исследовательская группа Университета Вандербильта (Vanderbilt University) и Мэрилендского университета (University of Maryland) в США разработала новую химическую систему литий-серного аккумулятора, введя хлор, что позволило атомам серы в процессе заряда и разряда обмениваться дополнительным электроном. Это увеличило удельную ёмкость хранения заряда серы примерно на 58%, а среднее рабочее напряжение выросло с примерно 2,05 В до 2,54 В.

Сера отличается большими запасами и относительно низкой стоимостью, а её удельная энергоёмкость по массе значительно выше, чем у обычно используемых материалов положительного электрода литий-ионных аккумуляторов, поэтому её рассматривают как одну из альтернатив материалам катода. Однако традиционная химическая система литий-серного аккумулятора имеет относительно низкое рабочее напряжение, и часть окислительно-восстановительной способности серы остаётся неиспользованной.

Профессор химической инженерии на кафедре имени H. Eugene McBrayer и профессор химии Университета Вандербильта De-en Jiang отметил, что традиционный подход к литий-серным аккумуляторам оставляет часть окислительно-восстановительной способности серы неиспользованной, и исследовательская группа стремилась расширить окислительно-восстановительные возможности серы, чтобы запасать с её помощью больше энергии. В традиционном литий-серном аккумуляторе каждый атом серы в процессе заряда и разряда обменивается только двумя электронами; после введения хлора этот процесс удалось расширить, и сера может обмениваться третьим электроном.

Дополнительная реакция протекает при более высоком напряжении, а ёмкость хранения заряда и напряжение увеличиваются одновременно; в экспериментальных элементах на килограмм серы удаётся запасать более 1700 Вт·ч энергии.

Чтобы эта дополнительная реакция была обратимой, необходимо решить ещё одну проблему: при заряде хлор должен взаимодействовать с серой, и при этом образующееся соединение серы и хлора не должно мигрировать внутри аккумулятора и реагировать с литиевым металлическим электродом. Команда с помощью молекулярного моделирования исследовала поведение ионов лития и хлорид-ионов в различных электролитах и на основе этого разработала электролит, позволяющий хлору оставаться участником реакции с серой, а также выбрала электролит, в котором продукт реакции серы и хлора плохо растворяется, благодаря чему это вещество остаётся внутри положительного электрода, и реакция может быть обращена при разряде. Затем с помощью различных спектроскопических методов было подтверждено, что сера в процессе заряда и разряда многократно переходит в это вновь приобретённое химическое состояние.

Исследователи также изготовили небольшой однослойный мягкий пакетный элемент, чтобы проверить поведение этой химической системы за пределами обычно используемых в ранних аккумуляторных исследованиях кнопочных элементов. После 100 циклов заряда и разряда этот мягкий пакетный элемент сохранил 78% ёмкости.

Эта технология всё ещё находится на ранней стадии проверки: в прототипе используется литиевый металлический электрод, количество серы относительно ограничено, а расход электролита также превышает идеальный уровень для коммерческих аккумуляторов. После учёта основных компонентов аккумулятора, а не только электродов, исследователи оценили, что данное решение может обеспечить удельную энергию на уровне батарейной сборки 477 Вт·ч/кг, что примерно на 37% выше, чем у традиционной литий-серной системы, использовавшейся в исследовании в качестве контроля.

Соответствующие результаты исследования опубликованы в журнале Nature Energy.