Новая идея исследователей – это пористый, похожий на губку аэрогель из восстановленного оксида графена, который действует как отдельно стоящий электрод в аккумуляторном элементе и позволяет лучше и эффективнее использовать серу.
Традиционный аккумулятор состоит из четырех частей. Во-первых, есть два поддерживающих электрода, покрытых активным веществом, которые известны как анод и катод.
Между ними находится электролит, обычно жидкость, позволяющая переносить ионы вперед и назад. Четвертый компонент – это разделитель, который действует как физический барьер, предотвращающий контакт между двумя электродами, в то же время позволяя переносить ионы.
Ранее исследователи экспериментировали с объединением катода и электролита в одну жидкость, так называемый «католит».
Эта концепция может помочь снизить вес аккумулятора, а также обеспечить более быструю зарядку и лучшие возможности энергопотребления. Теперь, с разработкой графенового аэрогеля, эта концепция оказалась жизнеспособной, предлагая очень многообещающие результаты.
Взяв стандартный корпус батарейки типа «таблетка», исследователи сначала вставили тонкий слой пористого графенового аэрогеля.
"Вы берете аэрогель, который представляет собой длинный тонкий цилиндр, а затем нарезаете его – почти как салями.
Вы берете этот кусок и сжимаете его, чтобы он поместился в батарею », – говорит Кармен Кавалло из Департамента физики в Чалмерсе, ведущий исследователь исследования. Затем в аккумулятор добавляют богатый серой раствор – католит.
Высокопористый аэрогель действует как опора, впитывая раствор, как губка.
«Пористая структура графенового аэрогеля является ключевым фактором.
Он впитывает большое количество католита, обеспечивая достаточно высокое содержание серы, чтобы сделать концепцию католита оправданной. Такой полужидкий католит здесь действительно необходим. Это позволяет сере без потерь перемещаться вперед и назад.
Он не теряется при растворении – потому что он уже растворен в растворе католита », – говорит Кармен Кавалло.
Часть раствора католита также наносится на сепаратор, чтобы он выполнял свою роль электролита. Это также увеличивает содержание серы в батарее.
Большинство используемых в настоящее время батарей, от мобильных телефонов до электромобилей, являются литий-ионными.
Но этот тип батарей приближается к своим пределам, поэтому новый химический состав становится важным для приложений с более высокими требованиями к мощности. Литий-серные батареи имеют несколько преимуществ, в том числе гораздо более высокую плотность энергии. Лучшие литий-ионные батареи, представленные в настоящее время на рынке, работают при мощности около 300 ватт-часов на кг с теоретическим максимумом около 350.
Между тем, литий-серные батареи имеют теоретическую плотность энергии около 1000-1500 ватт-часов на кг.
"Кроме того, сера дешевая, широко распространенная и более экологически чистая. Литий-серные батареи также имеют то преимущество, что они не нуждаются в содержании какого-либо вредного для окружающей среды фтора, который обычно содержится в литий-ионных батареях », – говорит Александр Матич, профессор кафедры физики Чалмерса, возглавляющий исследовательскую группу, написавшую статью.
Проблема с литиево-серными батареями до сих пор заключалась в их нестабильности и, как следствие, малом сроке службы.
Текущие версии быстро деградируют и имеют ограниченный срок службы с непрактично низким числом циклов. Но при тестировании своего нового прототипа исследователи Chalmers продемонстрировали сохранение емкости 85% после 350 циклов.
Новая конструкция позволяет избежать двух основных проблем, связанных с деградацией литиево-серных батарей: первая заключается в том, что сера растворяется в электролите и теряется, а во-вторых, возникает “ эффект челночного перемещения ”, при котором молекулы серы мигрируют от катода к аноду.
В этом дизайне эти нежелательные проблемы могут быть значительно уменьшены.
Прочтите статью «Отдельно стоящий аэрогель из восстановленного оксида графена в качестве поддерживающего электрода в католитно-литиевой батарее Li2S8, не содержащей фтора», опубликованную в Journal of Power Sources.
Долгий путь к коммерческому потенциалу
Однако исследователи отмечают, что еще предстоит пройти долгий путь, прежде чем технология сможет реализовать полный рыночный потенциал. «Поскольку эти батареи производятся альтернативным способом из большинства обычных батарей, необходимо будет разработать новые производственные процессы, чтобы сделать их коммерчески жизнеспособными», – говорит Александар Матич.
Подробнее о лабораториях Чалмерса, использованных в этом исследовании
Исследователи исследовали структуру графенового аэрогеля в лаборатории анализа материалов Чалмерса (CMAL). CMAL имеет передовые инструменты для исследования материалов.
Лаборатория формально принадлежит Физическому факультету, но открыта для всех исследователей из университетов, институтов и промышленности. Эксперименты в этом исследовании проводились с использованием современных электронных микроскопов высокого разрешения.
Недавно были сделаны крупные инвестиции на общую сумму около 66 миллионов шведских крон, чтобы еще больше вывести CMAL на передний план в области исследования материалов.
Инвестиции включали приобретение монохроматора с коррекцией двойной аберрации (изображение CETCOR и Cs-корректоры датчика ASCOR) TEM JEOLARM (200 кВ) 40-200, оснащенного автоэмиссионной пушкой (FEG). Это была первая статья, опубликованная с использованием этого совершенно нового микроскопа, который использовался для исследования структуры аэрогеля.
Новый микроскоп, который весит как взрослый слон, будет официально открыт 15 мая на церемонии в Чалмерсе.
Фонд Кнута и Алисы Валленберг внес около половины инвестиций.