Новый катод может повысить энергоемкость литиевых батарей

Исследователи во всем мире искали аккумуляторы, которые при тех же характеристиках были бы меньше и легче современных версий — это позволило б электромобилям путешествовать на большие расстояния, и реже требовать подзарядки. Исследователи из Массачусетского технологического института и Китая сообщили, что добились значительных успехов в этом направлении, выпустив новую версию ключевого компонента для литиевых батарей — катода.

Команда описывает концепцию своего проекта следующим образом: «гибридный» катод сочетает в себе два разных подхода, которые использовались ранее. Первый —  увеличение выработки энергии на килограмм веса (гравиметрическая плотность энергии), второй —  энергии на литр (объемная плотность энергии). Синергетическая комбинация этих двух направлений, по их словам, обеспечивает преимущества как в первом, так и во втором.

В современных литий-ионных батареях обычно применяются катоды (один из двух электродов в батарее), изготовленные из оксидов переходных металлов. Многообещающими и перспективными в плане снижения веса аккумуляторов также считаются батареи с катодами из серы, однако разработчики литий-серных батарей сталкиваются с проблемой компромисса.

Катоды таких батарей обычно изготавливаются одним из двух способов: слоями или конверсией. В первом методе используются такие соединения, как оксид кобальта. У литий-кобальтовых аккумуляторов высокая объемная плотность энергии, благодаря слоистой структуре. Такие катоды сохраняют свои структуру и размеры при включении атомов лития в свою кристаллическую решетку.

Другой катодный подход – конверсия – заключается в применении серы, которая структурно преобразуется и даже временно растворяется в электролите. «Теоретически, эти [батареи] имеют очень хорошую гравиметрическую плотность энергии», — говорит один из авторов исследования — Ли. «Но объемная плотность низкая, отчасти потому, что такие батареи, как правило, требуют много дополнительных материалов, в том числе избытка электролита и углерода, используемых для обеспечения проводимости.»

В своей новой гибридной системе исследователям удалось объединить два подхода в новый катод, который включает в себя как один из типов сульфида молибдена, называемый фазой Шевреля, так и чистую серу, которые вместе демонстрируют лучшие аспекты обоих методов. Они использовали частицы двух материалов и спрессовали их, получив твердый катод. «Это как детонатор и тротил во взрывчатке.  Один быстродействующий, а второй обладает большой энергией в соотношении с весом», — объясняет Ли.

По его словам, среди прочих преимуществ комбинированного материала и относительно высокая электропроводность, что снижает потребность в углероде. По его словам, типичные серные катоды состоят из углерода на 20-30%, но новая версия требует только 10% углерода.

Что до эффективности метода, то на данном этапе коммерческие литий-ионные аккумуляторы могут иметь плотность энергии около 250 Вт-час на килограмм и 700 Вт-час на литр, тогда как литий-серные аккумуляторы выдают около 400 Вт-час на килограмм, но только 400 Вт-час на литр. По словам Ли, новая версия в своем первоначальном варианте, еще не прошедшем процесс оптимизации, может продемонстрировать более 360 ватт-часов/килограмм и 581 ватт-часов/литр. Он может превзойти как литий-ионные, так и литий-серные батареи с точки зрения сочетания этих плотностей энергии.

При дальнейшей работе, надеются авторы, продуктивность достигнет 400 ватт-часов/кг и 700 ватт-часов/л, при этом последняя цифра сравнима с показателем литий-ионной батареи. Команда уже достигла большего, чем многие лабораторные эксперименты, направленные на разработку прототипа крупномасштабной батареи: вместо того, чтобы тестировать мелкие модели емкостью всего несколько миллиампер-часов, они создали трехслойный образец, емкостью более 1000 миллиампер-часов. Это сравнимо с некоторыми коммерческими батареями, а значит, новое устройство соответствует прогнозируемым характеристикам.

Пока что новый элемент не может полностью соответствовать сроку службы литий-ионных батарей с точки зрения количества циклов зарядки-разрядки, которые он может пройти, прежде чем выйдет из употребления. Но это ограничение не «проблема катода»; оно связано с общим дизайном аккумулятора, команда исследователей работает над этим. Даже в его нынешней тестовой форме, новый тип батарей может быть использован, например, для беспилотных авто, где вес и объем имеют большее значение, чем долговечность.

Поделиться