Две независимые исследовательские группы сообщили о достижении в области разработки литий-серных аккумуляторов, которое поможет значительно ускорить зарядку и продлить срок их службы. Одна команда сосредоточилась на улучшении катодного материала, а другая разработала инновационный твёрдый электролит.

Источник изображения: DGIST

Как пишет TechSpot, первая работа, проведённая под руководством профессора Чон Сун Ю (Jong-sung Yu) из Корейского института науки и технологий DGIST, сосредоточилась на создании азот-допированного пористого углеродного материала, который улучшает скорость зарядки аккумуляторов. Этот материал, полученный с использованием термического восстановления магнием, служит основой для удержания серы в катоде батареи. Итоговые испытания показали впечатляющий результат — батарея достигла ёмкости 705 мА·ч/г при полной зарядке всего за 12 минут.

Источник изображения: DGIST

Уникальная углеродная структура, сформированная реакцией магния с азотом при высоких температурах, позволила увеличить содержание серы и улучшить контакт с электролитом. Это привело к 1,6-кратному увеличению ёмкости по сравнению с обычными батареями при быстрой зарядке. Кроме того, азотное допирование эффективно подавляло миграцию полисульфидов лития, что помогло сохранить 82 % первоначальной ёмкости даже после 1000 циклов зарядки-разрядки.

Второе исследование, выполненное китайскими и немецкими учёными, касалось разработки твёрдого электролита, который решает проблему медленной химической реакции между ионами лития и элементарной серой. Этот стекловидный материал состоит из бора, серы, лития, фосфора и йода. Ключевой особенностью здесь стало добавление йода, который, благодаря своей способности к быстрому обмену электронами, ускорил реакции в электроде.

Результаты второй группы оказались не менее интересными — аккумулятор, на зарядку которого потребовалось чуть более минуты, сохранил половину своей ёмкости, в то время как аккумулятор с более медленной зарядкой потерял эту ёмкость гораздо быстрее. При средней же скорости зарядки батарея сохранила более 80 % первоначальной ёмкости даже после 25 000 циклов, что по итогам значительно превосходит литийионные аналоги, которые теряют ёмкость уже после 1000 циклов.

В совокупности оба достижения приближают практическое применение литий-серных аккумуляторов и их коммерциализацию. В то время, как исследование китайских и немецких учёных направлено на преобразующий потенциал твёрдых электролитов в повышении долговечности аккумуляторов и скорости зарядки, работа команды DGIST показала перспективность передовых катодных материалов в сценариях быстрой зарядки.

Китайская компания General New Energy (GNE) представила прототип перспективного литий-серного аккумулятора с рекордной плотностью запасания энергии на уровне 700 Вт·ч/кг. Это более чем в три раза превышает возможности среднестатистических литийионных аккумуляторов. Также литий-серные аккумуляторы безопасны при эксплуатации и содержат меньше дефицитного сырья. Осталось дождаться серийного производства чудо-аккумуляторов, но о нём пока неизвестно.

Источник изображений: General New Energy

Компания General New Energy основана в 2022 году на базе международной группы учёных во главе с исследователем из Китая. Компания имеет собственные производственные мощности и намерена сама заниматься выпуском перспективных аккумуляторов. Заявленная рекордная плотность энергии прототипа литий-серного аккумулятора на уровне 700 Вт·ч/кг просто меркнет на фоне перспектив достижения ими плотности энергии 2600 Вт·ч/кг, что особенно важно для развития электрической авиации.

Литий-серные аккумуляторы разрабатывают много именитых компаний и стартапов. Это крепкие орешки для исследователей. Соединения серы имеют низкую проводимость и это снижает потенциал мощности литий-серных батарей. Также соединения серы и лития повышают вязкость электролитов, что снижает электропроводность и даже ведёт к усадке аккумуляторов, что грозит их физическим разрушением. Учёным пришлось много поработать, создавая компенсирующие недостатки серы присадки для электролитов и покрытия для катодов, в которых используется сера, тогда как аноды литий-серных аккумуляторов по-прежнему изготавливаются из металлического лития.

К счастью, прогресс есть. Литий-серные аккумуляторы появились в виде прототипов и исследуются автопроизводителями во многих странах. Как и любая новая технология — это пока дорого, но перспективы у нового типа аккумуляторов есть и они востребованы.

Группа китайских учёных представила прототип литий-серного аккумулятора, устойчивого к повреждениям. Целью работы являлось создание более безопасной альтернативы литийионным аккумуляторам, которые подвержены воспламенению при повреждениях. Новый аккумулятор показал абсолютную надёжность, продолжая работать даже после того, как его перегнули пополам, а потом половину отрезали.

Согнули. Источник изображений: Журнал ACS Energy Letters

Для литий-серных аккумуляторов большой проблемой остаётся низкое число циклов заряда и разряда, что сдерживает их коммерциализацию. Учёные из Университета электронных наук и технологий Китая, Китайского института передовых технологий хранения энергии на озере Тяньму, Китайской академии наук и канадского университета Британской Колумбии включились в поиск соединений и решений, которые могли бы повысить цикличность этих перспективных батарей.

В основе катодов перспективных Li-S-аккумуляторов были использованы сульфиды переходных металлов. Основная проблема с такими соединениями в том, что при высоком нагреве полисульфиды начинали активно перемещаться по электролиту, что вело к вспучиванию аккумуляторов и затуханию электрохимических реакций. Отчасти эту проблему решали электролиты на основе карбонатов, но они также создавали другую проблему — вызывали появление осадка (пассивацию) на электродах аккумулятора, что быстро сокращало количество циклов его работы.

Для защиты катода из сульфида железа (FeS₂) и анода с высоким содержанием металлического лития от выпадения осадка исследователи использовали три разных покрытия электродов: полиакриловую кислоту (PAA), полиакриламид (PAM) и полиэтиленоксид (PEO). Все эти соединения обладали хелатным эффектом (связывали «нехорошие» ионы), что предупреждало выпадение осадка на электродах. Эксперименты показали, что покрытие электродов полиакриловой кислотой дало наибольший эффект.

И отрезали...

После 300 циклов перезарядки прототип аккумулятора формфактора «мешочек» сохранил 72 % первоначальной ёмкости, показав полное отсутствие снижения после первых 100 циклов. Сгибание аккумулятора пополам, а затем отрезание его половины не привели к отказу и взрыву батареи, что произошло бы в случае обычного литий-ионного аккумулятора, что доказывает абсолютную безопасность перспективных батарей. Однако над ними ещё предстоит немало работы до перехода к коммерческому производству. Возможно, с литий-серными аккумуляторами дела лучше обстоят у американских разработчиков, которые уже наладили их ограниченное массовое производство. Но это другая история.

Сообщается, что молодая компания Lyten из США разослала производителям автомобильного оборудования из США и ЕС первые серийно выпущенные образцы литий-серных аккумуляторов (Li-S) для оценки их возможностей. Образцы также получила компания Stellantis, которая в мае 2023 года инвестировала в Lyten значительные средства и теперь надеется увидеть отдачу.

Источник изображения: Lyten

Литий-серные аккумуляторы обещают быть дешевле литий-ионных и, как минимум, не будут зависеть от таких дефицитных ископаемых, как никель, марганец и кобальт, которые традиционно используются для изготовления катодов литий-ионных аккумуляторов. Для США, которые вынуждены завозить эти ресурсы из-за границы, это важный момент для создания гарантированной цепочки поставок сырья.

Компания Lyten смогла адаптировать линии для выпуска литий-ионных аккумуляторов к производству литий-серных. При этом она изменила конструкцию и состав электродов аккумуляторов. Катод её литий-серной батареи представляет собой патентованную структуру из 3D-графена. Предложенное решение значительно повысило стабильность работы литий-серного аккумулятора, которые в альтернативных вариантах страдают от высокой скорости износа и быстрой потери ёмкости.

В качестве анода разработчики из Lyten вместо традиционного графита использовали литий-металлический композит, который также повысил стабильность работы литий-серного аккумулятора. В конечном итоге компания смогла приступить к мелкосерийному производству аккумуляторов ёмкостью 6 А·ч на своей опытной линии в Сан-Хосе, штат Калифорния. Именно эти аккумуляторы в формфакторе «мешочек» были разосланы заинтересованным производителям и компании Stellantis в частности. Литий-серные аккумуляторы в цилиндрическом формфакторе производитель обещает начать выпускать позже в текущем году.

Параллельно опытному производству революционных аккумуляторов компания Lyten проектирует крупномасштабный завод для их выпуска. На сегодняшний день компания Lyten привлекла более $410 млн долларов в виде акционерного капитала, включая деньги от Stellantis и даже $4 млн от Министерства энергетики США. Все они считают разработку Lyten очень и очень перспективной.