Новая аккумуляторная мембрана, вдохновленная биологией, позволила батарее с емкостью, в пять раз превышающей стандартную литий-ионную конструкцию, работать в течение тысячи с лишним циклов, необходимых для питания электромобиля.
Сеть арамидных нановолокон, переработанных из кевлара, может позволить литий-серным батареям преодолеть их ахиллесову пяту срока службы — количество раз, когда их можно заряжать и разряжать, — показала группа из Мичиганского университета.
«Есть ряд отчетов о нескольких сотнях циклов для литий-серных аккумуляторов, но это достигается за счет других параметров — емкости, скорости зарядки, отказоустойчивости и безопасности. В настоящее время задача состоит в том, чтобы создать аккумулятор, увеличивающий частоту циклов. от прежних 10 циклов до сотен циклов и удовлетворяет множеству других требований, включая стоимость», — сказал Николас Котов, заслуженный профессор химических наук и инженерии Университета Ирвинга Ленгмюра, который руководил исследованием.
«Биомиметическая инженерия этих батарей объединила два масштаба — молекулярный и наномасштаб. Впервые мы объединили ионную селективность клеточных мембран и прочность хрящей. Наш интегрированный системный подход позволил нам решить основные проблемы литий-серных аккумуляторов».
Ранее его команда полагалась на сети арамидных нановолокон, пропитанных электролитным гелем, чтобы остановить одну из основных причин короткого срока службы: дендриты, которые растут от одного электрода к другому, прокалывая мембрану. Прочность арамидных волокон останавливает дендриты.
Но у литий-серных аккумуляторов есть еще одна проблема: небольшие молекулы лития и серы формируются и стекают к литию, прикрепляясь и уменьшая емкость аккумулятора. Мембрана должна была позволить ионам лития течь от лития к сере и обратно, а также блокировать частицы лития и серы, известные как полисульфиды лития. Эта способность называется ионной селективностью.
«Вдохновленные биологическими ионными каналами, мы спроектировали дороги для ионов лития, где полисульфиды лития не могут быть платными», — сказал Ахмет Эмре, научный сотрудник с докторской степенью в области химического машиностроения и соавтор статьи в Nature Communications.
Ионы лития и полисульфиды лития имеют одинаковый размер, поэтому было недостаточно блокировать полисульфиды лития, создавая небольшие каналы. Имитируя поры в биологических мембранах, исследователи UM добавили электрический заряд к порам в мембране батареи.
Они сделали это, используя сами полисульфиды лития: они прилипали к арамидным нановолокнам, а их отрицательные заряды отталкивали ионы полисульфида лития, которые продолжали образовываться на серном электроде. Однако положительно заряженные ионы лития могли свободно проходить.
«Достижение рекордных уровней для нескольких параметров для различных свойств материалов — это то, что сейчас необходимо для автомобильных аккумуляторов», — сказал Котов. «Это немного похоже на гимнастику для Олимпийских игр — вы должны быть идеальными во всем, включая устойчивость их производства».
Что касается батареи, Котов говорит, что ее конструкция «почти идеальна», а ее емкость и эффективность приближаются к теоретическим пределам. Он также может выдерживать экстремальные температуры автомобильной жизни, от жары при зарядке на полном солнце до холода зимы. Однако реальный срок службы при быстрой зарядке может быть короче, около 1000 циклов, говорит он. Это считается десятилетней продолжительностью жизни.
Наряду с более высокой емкостью литий-серные батареи имеют преимущества в плане устойчивости по сравнению с другими литий-ионными батареями. Серы гораздо больше, чем кобальта в литий-ионных электродах. Кроме того, арамидные волокна аккумуляторной мембраны можно перерабатывать из старых батарей.
Теги: батарея
