Разработена е революционна литиево-сярна батерия

Тъй като катодите в литиево-йонните батерии наближават теоретичните си граници, учените все по-често разработват алтернативни решения. Литиево-серните батерии се характеризират с висок специфичен капацитет, ниска цена и екологична безопасност. Китайски учени са успели да се избавят от няколко недостатъка на този тип батерии, като са увеличили проводимостта, стабилността на работа и запазването на сярата. Дори след 300 цикъла капацитетът на батерията се запазва на ниво 601,54 mAh/g, като средният спад на капацитета е само 0,16% на цикъл, което значително превъзхожда търговските аналози.

Въпреки големия си потенциал, литиево-серните батерии не се отличават с висока проводимост и издръжливост. Междинните продукти на сярата възпрепятстват преноса на йоните, катодът се разширява с 80% при пълния цикъл, а преместването на полисулфидите води до саморазряд. Всичко това намалява ефективността и живота на батерията, съобщава IE.

Изследователи от Шанхайския университет „Дзяотун“ са разработили пореста йерархична структура от титанов диоксид и нанопорест въглерод на базата на металоорганични координационни полимери. Този материал е използван за изработване на катод с високо съдържание на сяра с повишена проводимост, стабилност и максимално задържане на сярата.

В началния етап на многоетапния процес на подготовка учените синтезират предшественици на полимерите от фталова киселина и тетрабутил титанат. Това действие е последвано от ултразвукова обработка и интензивно разбъркване, за да се осигури правилното образуване на прекурсорния материал. След това сместа се нагрява в хидротермален котел при 155°C в продължение на 20 часа, промива се, изсушава се и се карбонизира в продължение на 12 часа при 500°C в азотна среда във високотемпературна тръбна пещ. Накрая сместа се смесва със сублимираната сяра, запечатва се във вакуум и се нагрява за 12 часа при температура 160 °C.

Анализът на материала със сканиращ и трансмисионен електронен микроскоп показа, че сярата е проникнала в порите на материала, а рентгеновите дифракционни изследвания потвърдиха добрата дисперсия на сярата. Установено е също така, че силните O-S и Ti-S връзки стабилизират сярата и намаляват негативния ефект.

Термогравиметричният анализ показва съдържание на сяра от 64,09%, а изчисленията на Брунауер-Емет-Телер разкриват многостепенна пореста структура с повърхност 155,34 m²/g, което показва подобрено проникване на електролита и усвояване на серната експанзия.

Електрохимичните тестове потвърдават високата производителност на електрода: експериментите за заряд-разряд при рейтинг на батерията от 0,5 С – при който батерията се разрежда наполовина за един час – показаха първоначалния капацитет от 1327,35 mAh/g.

Дори след 300 цикъла капацитетът се запазва на ниво 601,54 mAh/g, като средният спад на капацитета е само 0,16% на цикъл, което е доста над търговските аналози.

При тестовете за производителност капацитетът е 928 mAh/g при рейтинг 1 С и достига 743 mAh/g при 1,5 С. Други тестове показаха, че катодът има намалено съпротивление при преноса на заряд, което показва по-добра проводимост.