Бъдещето на електромобилите: Литиево-серни батерии, които се самовъзстановяват

Елементите са издържали над 1500 цикъла с минимални загуби.

Учени от Центъра „Хелмхолц“ в Берлин и Техническия университет в Берлин са създали нов материал, който може значително да подобри работата на литиево-серните батерии. Той се основава на порест полимер от специален тип – радикална катионна ковалентна органична рамка (COF).

COF е нов вид кристален органичен полимер. Основните му свойства са висока пористост, способност за промяна на структурата в зависимост от задачата, ниска плътност и химическа устойчивост. Тези характеристики правят материала подходящ за технологиите за батерии, при които стабилността и дълготрайността са от решаващо значение. При тестовете новият COF е постигнал повече от 1500 цикъла на батерията с изключително ниска загуба на капацитет от около 0,027% на цикъл. Това е над типичната граница от 1000 цикъла за Li-S клетки.

Основният проблем при Li-S батериите е образуването на полисулфиди по време на зареждане и разреждане. Тези съединения се разтварят, мигрират в клетката и драстично влошават производителността, което води до бързо разграждане. Новият COF решава този проблем: неговата пореста структура не само задържа полисулфидите, но и ги превръща обратно в активна сяра.

Тайната се състои в това, че в структурата са вградени радикали – молекули с несдвоени електрони, които се държат като малки катализатори. В този случай са използвани радикали на базата на органосеровото съединение тетратиафулвален (TTF). Полученият материал е наречен R-TTF-+-COF. В него тетратиафулваленните връзки ([TTF]2-+) и радикалните трисулфидни аниони (S3–) са свързани чрез бензотиазолови групи. Тази комбинация увеличава проводимостта и катализира полисулфидното превръщане.

Изследователите подробно са проучили действието на механизма на материала. За целта те са приложили методите на ЯМР спектроскопия в твърда фаза, електронен парамагнитен резонанс и теоретични изчисления. Оказва се, че радикалните центрове [TTF]2-+ свързват литий-съдържащите полисулфиди (LiPS), ускоряват удължаването и разкъсването на серните връзки, като по този начин ги възстановяват до форма, подходяща за по-нататъшната работа на батерията.

Експериментите показват впечатляваща стабилност: батериите с новия катализатор издържат повече от 1500 цикъла с минимална загуба на капацитет. Това е най-добрият резултат за органични материали от този клас.

Според авторите интегрирането на тези радиални структури в литиево-серните батерии открива големи перспективи. С тяхна помощ е възможно не само да се удължи животът на батериите, но и да се увеличи капацитетът им, което е важно за транспорта на бъдещето – от електромобилите до електрическите самолети. В бъдеще екипът възнамерява да модифицира структурата на радикалите, за да подобри още повече ефективността им. Това откритие има потенциала да реши един от основните проблеми на литиево-серните батерии и да осигури по-дълъг живот на електрическите автомобили и други устройства.