Вчені розробили літій-сірчану батарею нового покоління

Команда професора Йонг-Сунг Ю розробила пористий вуглецевий матеріал, легований азотом, який покращує продуктивність літій-сірчаних акумуляторів, досягаючи швидкого заряджання (12 хвилин) і тривалої стабільності (82% збереження ємності після 1000 циклів). Цей прорив може прискорити комерціалізацію акумуляторів.

Дослідницька група під керівництвом професора Йонг-Сун Ю з Департаменту енергетичних наук та інженерії DGIST під керівництвом президента Кунву Лі розробила новаторську технологію для значного підвищення швидкості зарядки літій-сірчаних батарей. Команда представила інноваційний пористий вуглецевий матеріал, легований азотом, щоб подолати обмеження повільної зарядки, які зупинили комерціалізацію літій-сірчаних батарей.

Літій-іонні батареї, хоча й необхідні для екологічно чистих технологій, таких як електромобілі, стикаються з проблемами через їх обмежену ємність накопичення енергії та високу вартість виробництва. Навпаки, літій-сірчані батареї стали багатообіцяючою альтернативою, пропонуючи вищу щільність енергії та вигоду від доступності сірки як основного матеріалу. Однак їх комерційна життєздатність перешкоджає неефективному використанню сірки під час швидкого заряджання, що призводить до зменшення ємності акумулятора.

Виклики розробки літій-сірчаних батарей

Іншою проблемою є полісульфіди літію, які утворюються в процесі розряду. Ці сполуки мігрують всередині акумулятора, погіршуючи його продуктивність. Щоб вирішити цю проблему, дослідники розробляли батареї, додаючи сірку в пористі вуглецеві структури. Однак вони ще не досягли рівня продуктивності, придатного для комерціалізації.

Щоб вирішити ці проблеми, команда професора Ю синтезувала новий графітний, багатопористий вуглецевий матеріал, легований азотом, і застосувала його до катода літій-сірчаної батареї. Ця технологія успішно підтримує високу енергоємність навіть за умов швидкої зарядки.

Синтез вдосконаленого вуглецевого матеріалу

Нещодавно розроблений вуглецевий матеріал був синтезований за допомогою методу термічного відновлення, який включає магній і ZIF-8. ZIF-8 є металоорганічним каркасом (MOF), утвореним координацією іонів металу та органічних лігандів. Він характеризується високою термічною та хімічною стабільністю, а також характерною пористою структурою.

При високих температурах магній реагує з азотом у ZIF-8, роблячи вуглецеву структуру більш стабільною та міцною, створюючи при цьому різноманітну структуру пор. Ця структура не тільки дозволяє збільшити вміст сірки, але й покращує контакт між сіркою та електролітом, значно підвищуючи продуктивність батареї.

Літій-сірчана батарея, розроблена в цьому дослідженні, використовувала багатофункціональний вуглецевий матеріал, синтезований за допомогою простого методу термічного відновлення за допомогою магнію, як вміст сірки. Навіть за умов швидкого заряджання з часом повної зарядки лише за 12 хвилин акумулятор досяг високої ємності 705 мА·год г⁻¹, що є 1,6-кратним покращенням порівняно зі звичайними акумуляторами. Крім того, допінг азоту на вуглецевій поверхні ефективно пригнічував міграцію полісульфіду літію, дозволяючи акумулятору зберігати 82% ємності навіть після 1000 циклів заряджання-розряджання, демонструючи чудову стабільність.

Під час дослідження спільна група під керівництвом доктора Халіла Аміна з Аргонської національної лабораторії виконала розширений мікроскопічний аналіз. Ці аналізи підтвердили, що сульфід літію (Li₂S) утворився в певній орієнтації всередині шаруватих структур нещодавно розробленого вуглецевого матеріалу. Цей висновок підтвердив, що легування азотом і пориста вуглецева структура посилюють навантаження сірки, тоді як графітова природа вуглецю прискорює сірчані реакції, тим самим покращуючи швидкість заряджання.

Професор Йонг-Сун Юй зазначив: «Це дослідження було зосереджено на покращенні швидкості зарядки літій-сірчаних батарей за допомогою простого методу синтезу з використанням магнію. Ми сподіваємося, що це дослідження прискорить комерціалізацію літій-сірчаних батарей».