Исследователи проявляют большой интерес к литий-серным батареям, способным хранить в пять раз больше энергии, чем современные литий-ионные аккумуляторы, и команда Мичиганского университета сделала шаг к реализации их реального потенциала. Прорывное исследование основано на естественной мембране, которая решает проблемы со стабильностью и предлагает аккумулятору «почти идеальную» конструкцию, позволяющую ему работать более тысячи циклов.

«В научной среде есть ряд отчетов о литий-серных аккумуляторах, выдерживающих сотни циклов, но эта цифра достигается за счет других параметров — емкости, скорости зарядки, отказоустойчивости и безопасности, — рассказал руководитель исследовательской группы Николай Котов. — Задача в настоящее время состоит в том, чтобы создать батарею, которая увеличивает частоту с прежних 10 циклов до сотен и удовлетворяет множеству других требований, включая адекватную стоимость».

Приняв этот вызов, Котов и его коллеги обратились к арамидным нановолокнам, которые представляют собой наноразмерные версии кевларовых волокон, и превратили их в тщательно спланированные сети, имитирующие структуру клеточных мембран. Этот материал был пропитан электролитным гелем и предотвращает распространенную причину отказа батареи, которая заключается в образовании игольчатых наростов, называемых дендритами, со временем вырастающих на одном из электродов.

Схема принципа новой защиты частей аккумулятора от инородных частицAhmet Emre, Kotov Lab / FBVKOKLink

Но преимущества новой мембраны не ограничиваются лишь этими факторами. При циклировании литий-серной батареи мелкие частицы лития и серы, известные как полисульфиды лития, попадают в металлический литий и снижают емкость устройства. Команда решила эту проблему, интегрировав в искусственную мембрану крошечные биологические каналы и добавив электрический заряд, который отталкивает частицы, позволяя положительно заряженным ионам лития течь свободно.

По словам Котова, результатом этой так называемой ионной селективности является литий-серная батарея с «почти идеальной» конструкцией. Он говорит, что устройство может похвастаться эффективностью, приближающейся к теоретическим пределам, а емкость в пять раз больше, чем у стандартной литий-ионной батареи. В один прекрасный день это может привести к тому, что электромобили смогут проехать в пять раз больше без подзарядки.

Ученые ожидают, что в реальных условиях с технологией быстрой зарядки батарея будет работать около 1000 циклов, что аналогично 10-летнему сроку службы. Также в пользу устройства работает тот факт, что сера является более распространенной и менее проблематичной в плане добычи, чем кобальт, используемый в литий-ионных батареях, в то время как арамидные волокна можно собирать из старых пуленепробиваемых жилетов, что делает новинку в целом более экологически чистым предложением.