Профессор химии Линда Назар и ее исследовательская группа на факультете естественных наук Университета Ватерлоо объявили о прорыве в технологии литий-серных батарей в недавнем выпуске журнала Nature Communications.Их открытие материала, который поддерживает перезаряжаемый серный катод, помогает преодолеть основное препятствие на пути создания литий-серной (Li-S) батареи. Такая батарея теоретически может питать электромобиль в три раза больше, чем нынешние литий-ионные батареи при том же весе — при гораздо меньшей стоимости.
«Это важный шаг вперед, который на один шаг приближает литий-серную батарею к реальности», — сказал Назар.Группа Назара наиболее известна своей статьей 2009 года в Nature Materials, в которой демонстрируется возможность создания Li-S батареи с использованием наноматериалов. Теоретически сера может обеспечить конкурентный катодный материал оксиду лития-кобальта в современных литий-ионных элементах. Сера в качестве материала батарей чрезвычайно распространена, относительно легкая и очень дешевая.
К сожалению, серный катод истощается всего за несколько циклов, потому что сера растворяется в растворе электролита, поскольку она восстанавливается поступающими электронами с образованием полисульфидов.Группа Назара первоначально думала, что пористый углерод или графены могут стабилизировать полисульфиды, физически улавливая их. Но неожиданно выяснилось, что решающим фактором могут быть оксиды металлов.
Их первая работа по металлическому оксиду титана была опубликована ранее в августе в Nature Communications.Хотя с тех пор исследователи обнаружили, что нанолисты диоксида марганца (MnO2) работают даже лучше, чем оксиды титана, их основной целью в этой статье было прояснить механизм работы.«Вы должны сосредоточиться на фундаментальном понимании этого явления, прежде чем сможете разрабатывать новые передовые материалы», — сказал Назар.Они обнаружили, что насыщенная кислородом поверхность ультратонкого нанолиста MnO2 химически рециркулирует сульфиды в двухэтапном процессе с участием связанного с поверхностью промежуточного продукта, политиосульфата.
В результате получается катод с высокими рабочими характеристиками, который может заряжать более 2000 циклов.Поверхностная реакция похожа на химический процесс, лежащий в основе раствора Вакенродера, открытого в 1845 году во время золотого века немецкой химии серы.«Очень немногие исследователи изучают или даже преподают химию серы», — сказал Назар. «По иронии судьбы, нам пришлось так далеко заглянуть в литературу, чтобы понять что-то, что может так радикально изменить наше будущее».
Научный сотрудник докторантуры Сяо Лян, ведущий автор, и аспиранты Коннор Харт и Куан Панг также обнаружили, что оксид графена, похоже, работает по аналогичному механизму. В настоящее время они исследуют другие оксиды, чтобы найти лучший удерживающий серу материал.Финансировала исследование Международная научная сеть BASF по электрохимии и батареям.
Соавторами статьи являются Арнд Гарсух и Томас Вайс из BASF.Профессор Назар расскажет о перспективах и реальности литий-серных батарей на ежегодной конференции Американской ассоциации содействия развитию науки (AAAS) в субботу, 14 февраля 2015 г., в комнате 230B конференц-центра Сан-Хосе.