Исследователи разработали прототип литий-серной батареи нового поколения, которая частично черпает вдохновение из клеток, выстилающих кишечник человека. Батареи, если они будут коммерчески разработаны, будут иметь удельную энергию в пять раз больше, чем литий-ионные батареи, используемые в смартфонах и другой электронике.Новая конструкция, разработанная исследователями из Кембриджского университета, решает одну из ключевых технических проблем, препятствующих коммерческому развитию литий-серных батарей, предотвращая деградацию батареи, вызванную потерей материала внутри нее. Результаты опубликованы в журнале Advanced Functional Materials.
Работая с сотрудниками из Пекинского технологического института, исследователи из Кембриджа из команды доктора Васанта Кумара из отдела материаловедения и металлургии разработали и протестировали легкий наноструктурированный материал, который напоминает ворсинки — выступы, похожие на пальцы, которые выстилают тонкий кишечник. В организме человека ворсинки используются для поглощения продуктов пищеварения и увеличения площади поверхности, на которой может происходить этот процесс.В новой литий-серной батарее слой материала с ворсинчатой структурой, сделанный из крошечных проволок из оксида цинка, помещен на поверхность одного из электродов батареи.
Это может улавливать фрагменты активного материала, когда они отламываются, делая их электрохимически доступными и позволяя повторно использовать материал.«Этот слой крошечный, но он важен», — сказал соавтор исследования доктор Пол Коксон из Кембриджского Департамента материаловедения и металлургии. «Это помогает нам преодолеть узкое место, препятствующее разработке более совершенных аккумуляторов».Типичная литий-ионная батарея состоит из трех отдельных компонентов: анода (отрицательный электрод), катода (положительный электрод) и электролита в середине. Наиболее распространенными материалами для анода и катода являются графит и оксид лития-кобальта соответственно, которые имеют слоистую структуру.
Положительно заряженные ионы лития движутся назад и вперед от катода через электролит к аноду.Кристаллическая структура материалов электродов определяет, сколько энергии можно втиснуть в батарею. Например, из-за атомной структуры углерода каждый атом углерода может принимать шесть ионов лития, ограничивая максимальную емкость батареи.
Сера и литий реагируют по-разному через механизм многоэлектронного переноса, что означает, что элементарная сера может иметь гораздо более высокую теоретическую емкость, что приводит к литий-серной батарее с гораздо более высокой плотностью энергии. Однако, когда батарея разряжается, литий и сера взаимодействуют, и кольцевые молекулы серы превращаются в цепочечные структуры, известные как полисульфиды. Поскольку батарея проходит несколько циклов зарядки-разрядки, кусочки полисульфида могут попасть в электролит, так что со временем батарея постепенно теряет активный материал.
Исследователи из Кембриджа создали функциональный слой, который лежит поверх катода и фиксирует активный материал на проводящем каркасе, чтобы активный материал можно было использовать повторно. Слой состоит из крошечных одномерных нанопроволок оксида цинка, выращенных на каркасе. Эта концепция была опробована с использованием коммерчески доступной пены никеля в качестве опоры. После успешных результатов пенопласт был заменен легким матом из углеродного волокна, чтобы уменьшить общий вес батареи.
«Переход от жесткого никелевого пенопласта к гибкому мату из углеродного волокна заставляет слой имитировать работу тонкой кишки еще больше», — сказал соавтор исследования доктор Инцзюнь Лю.Этот функциональный слой, как и ворсинки кишечника, на которые он похож, имеет очень большую площадь поверхности. Материал имеет очень прочную химическую связь с полисульфидами, что позволяет использовать активный материал дольше, значительно увеличивая срок службы батареи.«Это первый случай, когда химически функциональный слой с хорошо организованной наноархитектурой был предложен для улавливания и повторного использования растворенных активных материалов во время зарядки и разрядки аккумулятора», — сказал ведущий автор исследования Тэн Чжао, аспирант кафедры. материаловедения Металлургия. «Черпая вдохновение из мира природы, мы смогли придумать решение, которое, как мы надеемся, ускорит разработку батарей следующего поколения».
На данный момент устройство является доказательством принципа, поэтому до появления коммерчески доступных литий-серных батарей еще несколько лет. Кроме того, несмотря на то, что количество раз, которое можно заряжать и разряжать, увеличилось, он по-прежнему не может пройти столько циклов зарядки, как литий-ионный аккумулятор.
Однако, поскольку литий-серную батарею не нужно заряжать так часто, как литий-ионную батарею, может случиться так, что увеличение плотности энергии компенсирует меньшее общее количество циклов заряда-разряда.«Это способ обойти одну из тех неудобных маленьких проблем, которые затрагивают всех нас», — сказал Коксон. «Мы все привязаны к нашим электронным устройствам — в конечном итоге мы просто пытаемся заставить эти устройства работать лучше, надеясь сделать нашу жизнь немного лучше».