Дешевле, легче и энергоемче: перспектива использования литий-серных батарей

Литий-серные батареи, которые легче и дешевле, чем современные аналоги, могут стать следующим поколением энергетических элементов, которые мы используем в электромобилях или мобильных телефонах - если ученые смогут продлить их срок службы на дольше.

Главная привлекательность заключается в том, что они могут хранить гораздо больше энергии, чем аналогичные литий-ионные аккумуляторы. Это означает, что на одном заряде они могут прослужить значительно дольше.

Литий-серные батареи

Их также можно производить на заводах, где изготовлены литий-ионные батареи, поэтому запуск их в производство должен быть относительно простым.

Подписывайтесь на наш youtube канал!

Вместо того чтобы использовать дорогостоящий кобальт, который является уязвимым с точки зрения хрупких международных цепочек поставок, они включают в себя серу, которая является дешевым сырьем, доступным в качестве побочного продукта нефтяной промышленности. А их затраты на единицу энергии могут обеспечить существенную экономию.

Основная проблема заключается в том, что существующие литий-серные (Li-S) батареи не могут перезаряжаться достаточно долго.

Все дело во внутренней химии: зарядка Li-S батареи вызывает накопление химических отложений, которые разрушают аккумулятор и сокращают его срок службы.

Отложения образуются в тонких, древовидных структур, называемых дендриты, которые отходят от литиевого анода - отрицательного электрода внутри батареи. Отложения разрушают анод и электролит, который является средой, в которой ионы лития перемещаются вперед и назад.

Это снижает мощность, которую может дать батарея, а также может привести к короткому замыканию, в результате чего воспламеняющийся электролит может загореться. Это хорошо документированная проблема, которая может поразить литий-ионные батареи, вот почему авиационная безопасность требует резервных блоков питания для мобильных телефонов, которые должны перевозиться только в ручной клади, где дым или огонь с большей вероятностью будет замечен или обнаружен.

Разработчики аккумуляторных батарей столкнулись с трудностями в получении лития для повторного аккуратного и равномерного размещения на аноде во время перезарядки литий-серных батарей, а не в шероховатых шипах.

Текущие литий-серные батареи могут работать примерно 50 циклов перезарядки. Поэтому они нуждаются в существенном улучшении, чтобы стать коммерчески жизнеспособными в легковых автомобилях, - говорит доктор Луис Сантос, исследователь в области хранения энергии в Техническом институте Leitat в Барселоне, Испания.

Он является техническим координатором проекта LISA, который работает над оптимизацией различных элементов литий-серных батарей, чтобы сделать их достаточно компактными и надежными для использования в небольших электромобилях.

Первоочередной задачей является сохранение литиевого анода для еще большего количества циклов подзарядки.

Для этого партнер консорциума LISA компания Pulsedeon из Тампере, Финляндия, использует лазеры для нанесения керамического композита на анод слоями толщиной всего несколько микрон. Это защищает литиевый анод от деградации и предотвращает рост неуправляемых дендритных шипов.

"Я абсолютно уверен в аноде", - сказал доктор Сантос. "У нас есть очень хорошие партнёры, которые упорно работают, и очень скоро мы сможем получить очень хорошие результаты".

Все компоненты литий-серной ячейки нуждаются в оптимизации - от анода и его защитного керамического слоя, мембраны, электролита и катода. А партнеры LISA работают над различными вариантами для каждого из них.

В то время как Li-S-аккумуляторы теоретически могут накапливать в пять раз больше энергии, чем литий-ионные батареи по массе, они также занимают больший объем, поэтому исследователи сосредоточились на том, чтобы обеспечить максимальную компактность решений.

Одним из шагов, предпринимаемых исследователями LISA, является работа над созданием твердого электролита. 

В обычных литий-ионных батареях обычно используется электролитический гель или жидкость, но они могут представлять опасность возгорания даже при низких температурах. Поэтому консорциум LISA работает над электролитом, который минимизирует этот риск.

В настоящее время они экспериментируют с комбинацией твердых керамических элементов и адаптируемого гибкого полимера.

Другой подход - включение в ячейку "химического предохранителя". Идея заключается в том, чтобы заключить в корпус материал, который имеет термочувствительное отсечение, ведущее себя, по сути, как выключатель, который останавливает электрические потоки при слишком резком повышении температуры.

Доктор Сантос уверен, что проект LISA приведет к значительному усовершенствованию технологии.

"Даже если у нас не будет конечного продукта (для легковых автомобилей), мы наверняка получим некоторые результаты, которые могут улучшить литий-серные батареи", - сказал он.

Большая часть работы LISA строится на результатах проекта под названием ALISE, который возглавлял доктор Кристоф Ошер (Christophe Aucher), главный исследователь компании Leitat в области аккумулирования энергии.

По словам доктора Оше, заметным результатом проекта ALISE стало то, что автопроизводитель SEAT показал, что технология Li-S обеспечивает на 10% лучшую дальность хода по сравнению с литий-ионной технологией для электромобилей с подключаемым электроприводом (PHEV) и примерно на 2% лучше для электромобилей с аккумуляторными батареями (BEV) - от батареи весом примерно на 15% легче, чем у аналогичных автомобилей.

"Мы были удивлены, что она работала не так хорошо, как литий-ионная, а на самом деле немного лучше", - сказал доктор Ашер. "Мы говорим о технологии с низким уровнем зрелости, так что это было потрясающе".

Это исследование также показало существенную потенциальную экономию затрат, так как Li-S потенциально доступен по цене примерно 72 евро за кВт - на 30% меньше, чем сопоставимая литий-ионная технология.

Но батареи ALISE могли пройти только около 50 циклов до того, как они отказали, и доктор Ашер предположил, что для того, чтобы быть жизнеспособными в небольших электромобилях, им понадобится примерно в 20 раз больше аккумуляторов.

Совершенствование этого и конечной упаковки заняло бы некоторое время, чтобы стать настоящим массовым продуктом в небольших автомобилях.

"Для массовой интеграции (в легковых автомобилях), мы можем рассуждать примерно о 10 годах с сегодняшнего дня", - сказал доктор Ашер.

Между тем, эта технология оправдала себя в тех случаях, когда объем не так критичен, как масса.

OXIS Energy, партнер обоих проектов и базирующийся недалеко от Оксфорда в Великобритании, сотрудничает с Mercedes-Benz в производстве автобусных батарей, где чуть больший объем перевешивается существенной экономией веса, что позволяет перевозить больше пассажиров.

А литий-сернистые элементы уже используются в устройствах, которым нужны легкие аккумуляторы и которые могут долго работать на одном заряде, например, беспилотники или спутники. опубликовано econet.ru по материалам techxplore.com

Подписывайтесь на наш канал Яндекс Дзен!

P.S. И помните, всего лишь изменяя свое потребление - мы вместе изменяем мир! © econet