Стремительное развитие электроэнергетики во всем мире создает дополнительную нагрузку на производство аккумуляторов. Стандартная литий-ионная батарея зависит от минералов и металлов в ограниченной поставке, поэтому альтернативы необходимы срочно. Махдохт Шайбани из Университета Монаш описывает работу своей команды по разработке литий-серных аккумуляторов. Есть много преимуществ, не в последнюю очередь обилие серы, 16-го самого распространенного элемента на Земле. Кроме того, теория предполагает, что они могут хранить в шесть раз больше энергии, чем литий-ион для данного веса. Большой проблемой является срок службы батареи. Производительность быстро ухудшается из-за цикла набухания и сжатия, когда этот мощный аккумулятор заряжается и разряжается. Команда говорит, что они решили эту проблему, создав “связующее” с сетью, которая оставляет много места для расширения материала. Это легко и дешево в производстве. Они нацелены на создание коммерческого продукта через 2-4 года. Ни один прогноз никогда не может предсказать, какие прорывные инновации находятся за углом, которые могут сделать переход успешным. Может быть, это один из них?
Литий-ионные аккумуляторы изменили мир. Без возможности хранения значительного количества энергии в перезаряжаемом, портативном формате у нас не было бы смартфонов или других персональных электронных устройств. Пионеры технологии были награждены Нобелевской премией по химии 2019 года.
Но по мере того, как общество будет отходить от ископаемого топлива, нам понадобятся более радикальные новые технологии для хранения энергии для поддержки производства возобновляемой электроэнергии, электромобилей и других потребностей.
Литий-серные аккумуляторы
Одной из таких технологий могут быть литий-серные батареи: они хранят значительно больше энергии, чем их литий-ионные собратья – теоретически в шесть раз больше энергии для данного веса. Более того, они могут быть изготовлены из дешевых материалов, которые легко доступны по всему миру.
До сих пор литий-серные батареи были непрактичными. Их химия позволяет им накапливать столько энергии, что батарея физически разламывается под напряжением.
Тем не менее, уже сейчас разработан новый дизайн для этих батарей, который позволяет им заряжаться и разряжаться сотни раз без разрушения.
Проблема с литием-ионом
Литий-ионные аккумуляторы требуют наличия минералов, таких как редкоземельные металлы, никель и кобальт, для производства их положительных электродов. Предложение этих металлов ограничено, цены растут, а их добыча зачастую сопряжена с большими социальными и экологическими издержками.
Отраслевые инсайдеры даже прогнозировали серьезную нехватку этих ключевых материалов в ближайшем будущем, возможно, уже в 2022 году.
Сера обильна, дешева, хранит гораздо больше энергии
Напротив, сера относительно распространена и дешева. Сера является 16-м самым распространенным элементом на Земле, и шахтеры добывают около 70 миллионов тонн ее каждый год. Это делает серу идеальным ингредиентом для батарей, если мы хотим, чтобы они широко использовались.
Более того, литий-серные батареи полагаются на другой вид химической реакции, что означает, что их способность накапливать энергию (известная как “удельная емкость”) намного больше, чем у литий-ионных батарей.
… но большие возможности приносит большой стресс
Человек, столкнувшийся с тяжёлой работой, может испытывать стресс, если требования превышают его способность справиться, что приводит к падению производительности. Во многом таким же образом работает электрод батареи, который может подвергаться повышенному напряжению для сохранения большого количества энергии.
В литий-серной батарее энергия сохраняется, когда положительно заряженные ионы лития поглощаются электродом, выполненным из частиц серы в углеродной матрице, удерживаемой вместе с полимерным связующим. Высокая емкость запоминающего устройства значит что электрод распухает до почти двойного своего размера когда полностью заряжен.
Цикл набухания и уменьшения по мере заряда и разряда аккумулятора приводит к прогрессирующей потере сцепления частиц и постоянному искажению углеродной матрицы и полимерного связующего.
Углеродная матрица является жизненно важным компонентом батареи, которая доставляет электроны к изолирующей сере, а полимер склеивает серу и углерод вместе. Когда они искажены, пути для электронов, чтобы двигаться через электрод (эффективно электрическая проводка) разрушаются и производительность батареи распадается очень быстро.
Давая частицам немного пространства для дыхания
Обычный способ изготовления аккумуляторов создает непрерывную плотную сеть связующего вещества поперек основной массы электрода, которая не оставляет большого свободного пространства для движения.
Обычный метод работает для литий-ионных аккумуляторов, но для серы пришлось разработать новую методику.
Чтобы батареи были простыми и дешевыми в изготовлении, использовался тот же материал в качестве связующего, но обрабатывался немного по-другому. Результатом является паутинная сеть связующего, которая удерживает частицы вместе, но также оставляет много места для расширения материала.
Эти устойчивые к расширению электроды могут эффективно приспосабливаться к циклическим напряжениям, позволяя частицам серы жить до полной емкости накопления энергии.
