Создан новый полимер для литий-серных батарей

0 927

Литиево-серные батареи  (сокращённо Li-S) являются перспективными кандидатами на замену обычных литий-ионных батарей в электромобилях, поскольку они дешевле, меньше весят и могут хранить почти вдвое больше энергии для той же массы. Однако литий-серные батареи со временем становятся нестабильными, а их электроды ухудшаются, что ограничивает их широкое распространение.

Теперь группа исследователей, возглавляемая учеными Национальной лаборатории Лоренса Беркли (Berkeley Lab) Министерства энергетики США, сообщила, что новый элемент для литиево-серной батареи позволяет удвоить пропускную способность по сравнению с обычной литиево-серной батареей даже после более чем 100 циклов зарядки при высоких плотностях тока, которые являются ключевыми показателями эффективности для их использования в электромобилях (EV) и в авиации.

Они сделали это, разработав новое полимерное связующее, которое активно регулирует ключевые процессы переноса ионов в литиево-серной батарее и также показыли, как оно функционирует на молекулярном уровне. Об этом недавно сообщалось в Nature Communications.

«Новый полимер действует как стена», — говорит Бретт Хелмс, научный сотрудник лаборатории Беркли и автор исследования. «Серу загружают в поры углеродного материала, которые затем запечатываются нашим полимером. Поскольку сера участвует в химических реакциях батареи, полимер предотвращает блуждание отрицательно заряженных соединений серы».

Когда литий-серная батарея хранит и высвобождает энергию, химическая реакция вызывает появление молекул серы, которые отсоединяются от электрода, что приводит к его деградации и, в конечном итоге, к уменьшению емкости батареи. Чтобы сделать эти батареи более стабильными, исследователи традиционно работали над созданием защитных покрытий для своих электродов и разработкой новых полимерных связующих. Эти связующие вещества предназначены для контроля или смягчения набухания и растрескивания электрода.

Смотрите также  Quick Charge наполовину заряжает батарею телефона за пять минут

Новое связующее идет еще дальше. Ученые из исследовательского центра Organic Synthesis Facility, разработали полимер, который удерживает серу в непосредственной близости от электрода путем избирательного связывания молекул серы, противодействуя его миграционным тенденциям.

Следующим шагом было понять динамические структурные изменения, которые могут возникнуть во зарядки и разрядки, а также при разных состояниях заряда. Дэвид Прендергаст, который руководит Институтом литейного производства, и Тод Паскаль, построили симуляцию, чтобы проверить гипотезы исследователей о поведении полимера.

«Теперь мы можем надежно и эффективно моделировать химию серы в этих связующих веществах, основываясь на изучении детального квантовомеханического моделирования растворенных серосодержащих продуктов», — заявил Прендергаст.

Их крупномасштабное моделирование молекулярной динамики, проведенное на суперкомпьютере в Национальном научно-вычислительном центре научных исследований в Беркли (NERSC), подтвердило, что полимер имеет свойство к связыванию молекул подвижной серы, а также предсказало, что полимер, вероятно, будет показывать возможность для связывания различных видов серы при разных состояниях заряда батареи.

Исследовательская группа  также изучила работу литий-серосодержащих ячеек, изготовленных с использованием нового полимерного связующего. Благодаря набору экспериментов они смогли проанализировать и количественно оценить, как полимер влияет на скорость химической реакции в серном катоде, что является ключом к достижению высокой плотности тока и высокой мощности батареи.

«связующее, катионный полиэлектролит, облегчает перенос литий-иона через его реконфигурируемую сеть мобильных анионов и ограничивает диффузию полисульфида из мезопористых атомов углерода анионным метатезсом, который, как мы показываем, является селективным для высших олигомеров. Эти атрибуты позволяют работать с ячейками >100 циклов с отличной скоростью, используя катоды с удельными нагрузками серы до 8,1 мг см-2

Почти удваивая электрическую мощность батареи при длительном циклировании, новый полимер поднимает планку мощности литий-серных батарей.

Смотрите также  Новая молекула железа может дать более дешевую солнечную энергию

Комбинированное понимание синтеза, теории и характеристик нового полимера сделало его ключевым компонентом в прототипе литиево-серосодержащей ячейки в Объединенном центре исследований энергоемких хранилищ (JCESR).


Больше информации: Longjun Li et al, Molecular understanding of polyelectrolyte binders that actively regulate ion transport in sulfur cathodes, Nature Communications (2017). DOI: 10.1038/s41467-017-02410-6 

Источник PHYS.ORG
Войти с помощью: 
Подписаться
Уведомление о
guest
0 Комментарий
Встроенные отзывы
Посмотреть все комментарии
0
Будем рады вашим мыслям, пожалуйста, прокомментируйте.x
()
x