Графен повысил живучесть ультраёмких батарей

Вверху — подготовка суспензии графена и наночастиц сажи, внизу — создание частиц «сера плюс полимер».

Новая работа открывает новые возможности для развития редкого типа батарей, который может похвастать удивительной ёмкостью, но при этом очень недолговечен.

Команда учёных из Стэндфорда (Stanford University) озаботилась проблемой выносливости литиево-серных аккумуляторов. Этот тип источника тока уже достиг ёмкости в 350 ватт-часов на килограмм, а в перспективе может ещё нарастить данный показатель, по некоторым оценкам, до 600 вт-ч/кг.

Для сравнения, удельная ёмкость литиево-ионных ячеек лежит в пределах 100–250 вт-ч/кг, при этом батареи действительно больших вместимости и мощности (для электромобилей) располагаются ближе к нижней границе данного диапазона.

Таким образом, серные аккумуляторы равного веса могли бы нарастить пробег электрокаров в 2–3 раза.

К сожалению, полисульфиды, формирующиеся в процессе разряда таких батарей, частично растворяются в электролите, что приводит к быстрой потере активной массы серы и падению ёмкости устройства. Потому ячейки Li-S пока нашли лишь ограниченное применение, например они установлены на рекордном солнечном беспилотнике.

smz.jpg Рис. 1. Новый электрод для
литиево-серных батарей под
электронным микроскопом
(фото Hailang Wang, et al./
American Chemical Society).

Исследователи из Стэндфорда покрыли субмикронные частицы серы слоем полиэтиленгликоля, который удерживает полисульфиды в ловушке. Далее эти частицы снабдили ещё одним покрытием из лепестков частично окисленного графена, украшенных к тому же наночастицами сажи.

Графен решил сразу несколько проблем.

  1. Он послужил дополнительной защитой, предотвращающей потерю серы электродом,
  2. вместе с полиэтиленгликолем помог создать эластичный буферный слой, позволяющий серной микросфере изменяться в объёме по мере разряда и заряда,
  3. наконец, на пару с сажей графен повысил электропроводность материала.

Полученный таким образом катод показал, что способен поддерживать свою удельную ёмкость на уровне около 550–600 миллиампер-часов на грамм в течение более чем 100 циклов.

sn0.jpg Рис. 2. Изменение удельной ёмкости (мАч/г, по вертикали) нового катода по мере прохождения циклов заряда и разряда (по горизонтали) при двух разных нагрузках (иллюстрация Hailang Wang, et al./American Chemical Society).

Правда, технология оказалась сырой. Несколько изготовленных таким способом электродов продемонстрировали большой разброс в параметрах. Лучшие из катодов после ста циклов потеряли всего 10–15% от исходной ёмкости, а самые неудачные экземпляры – до 25%.

Тем не менее даже эти числа — уже огромный шаг вперёд на пути превращения батарей Li-S из экзотики в изделия, пригодные для массового применения. Ведь ранние образцы литиево-серных аккумуляторов приходили в полную негодность и вовсе после всего-то 60 циклов заряд-разряд.

Детали опытов можно найти в статье

Hailiang Wang, Yuan Yang, Yongye Liang, Joshua Tucker Robinson, Yanguang Li, Ariel Jackson, Yi Cui, and Hongjie Dai Graphene-Wrapped Sulfur Particles as a Rechargeable Lithium–Sulfur Battery Cathode Material with High Capacity and Cycling Stability. – Nano Letters. – 2011. – 11. – (7). – pp 2644–2647; DOI: 10.1021/nl200658a.

Пожалуйста, оцените статью:
Ваша оценка: None Средняя: 4.9 (7 votes)
Источник(и):

1. membrana.ru