Нова литиево-серна батерия за електромобилите намалява времето за зареждане до 12 минути

Изследователи от Германия, Индия и Тайван представиха концепция за литиево-серни батерии за електромобилите, които биха намалили времето за пълно зареждане до по-малко от 30 минути.

Сега, в контекста на глобалния преход към електрически транспорт, намаляването на времето за зареждане на батериите остава една от ключовите задачи за разработчиците и изследователите по целия свят. Съвременните литиево-йонни батерии се зареждат от 20 до 80% за около 20-30 минути, но пълното зареждане отнема много повече време. Междувременно, високоскоростното зареждане води до намаляване на живота на батерийните клетки.

Проучване на изследователи от университета в Кил и техни колеги в Индия и Тайван предполага, че литиево-серните батерии биха могли да решат тези проблеми. Международното проучване, ръководено от д-р Мозафар Абдолахифар, предоставя подробно описание на това как литиево-серните батерии биха могли да преодолеят ограниченията в производителността и времето за зареждане на настоящите литиево-йонни батерии. 

Учените са се позовали на стотици скорошни проучвания, за да създадат своеобразна пътна карта за това как литиево-серните батерии биха могли да намалят времето за зареждане, като някои от тях могат да достигнат пълен заряд за около 12 минути.

Конструкцията се състои от серен катод и литиево-метален анод. На теория тази комбинация би трябвало да осигури капацитет до 2600 ватчаса/кг, което е почти 10 пъти по-голяма енергийна плътност от литиево-йонните клетки. 

Това значително ще увеличи пробега на електрическите превозни средства. Сярата е сравнително евтин и достъпен материал в сравнение с кобалта и никела. Сярата обаче е лош проводник на електричество и трябва да се комбинира с материали на въглеродна основа. Това от своя страна увеличава теглото на батерията и усложнява конструкцията.

Освен това, серният катод претърпява обемно разширение и свиване до 80% по време на зареждане. Това намалява механичната стабилност и скъсява живота на батерията. 

Един от ключовите проблеми е миграцията на междинни продукти от литиев полисулфид между катода и анода, което причинява нежелани химични реакции и води до загуба на ефективност. Друг проблем е образуването на дендрити върху литиево-металния анод. Тези малки игловидни структури се уголемяват по време на многократните цикли на зареждане и могат да доведат до късо съединение и в някои случаи дори до пожар в батерията. 

Предотвратяването на растежа на дендрити е ключово за безопасността и надеждността на батериите от следващо поколение, казва Джейкъб Оферман, един от водещите автори на изследването. Изследователите се фокусират върху конструкцията на катодите, използвайки съвременни материали като графен, нанотръби и порести структури от активен въглен. 

Освен това, каталитични материали като метални оксиди и моноатомни катализатори се използват за ускоряване на реакциите на превръщане на сярата и предотвратяване на миграцията на междинни продукти от литиев полисулфид между катода и анода. Изследователите също така са изследвали подобрени сепаратори и високо концентрирани електролити, които биха съдържали полисулфиди и биха позволили бърз йонен обмен. 

Стабилизирането на анодите остава приоритет. В момента се провеждат тестове на защитни повърхностни покрития и 3D литиеви структури, които предотвратяват образуването на дендрити и удължават живота на батерията.

В същото време изследователите експериментират и с нови форми на сяра — по-специално моноклинна гама-сяра, която може да осигури твърдофазна реакция, почти без ефекта на прехвърляне. За да предскажат и оптимизират по-добре процеса на комбиниране на голям брой сложни материали, изследователите използват изкуствен интелект. 

Както отбелязва д-р Мозафар Абдолахифар, първите прототипи вече постигат енергийна плътност от около 2 mAh/cm². 

„Нашият анализ показва, че бързото зареждане за по-малко от 30 минути, а в някои случаи и за по-малко от 15 минути, е осъществимо и също така увеличава капацитета. Необходими са обаче допълнителни подобрения в натоварването на материалите и структурната интеграция, за да могат литиево-серните системи наистина да превъзхождат литиево-йонните“ — обяснява Мозафар Абдолахифар.