Стабильную и безопасную литий-серную (Li-S) батарею с улучшенным катодом из сульфида железа разработали китайские исследователи, 13 сентября сообщает отдел новостей Американского химического общества (ACS).

Наиболее широко в последнее время в портативных устройствах, таких как игрушки, ручные пылесосы и электровелосипеды, используются литий-ионные батареи. Однако они имеют не слишком большой срок службы и могут загореться при повреждении.

Для решения этих проблем китайские ученые под руководством профессора Факультета материалов и энергетики Университета электронных наук и технологий Китая в Чэнду Липин Ван разработали литий-серную батарею с улучшенным катодом из сульфида железа.

Один из созданных ими прототипов остается очень стабильным — более 300 циклов заряда-разряда, другой же продолжает работать даже после складывания или разрезания.

Выбор серы в качестве материала для литий-ионных аккумуляторов был сделан из-за ее низкой стоимости и возможностей удерживать больше энергии, чем оксиды лития-металла и другие материалы, используемые в традиционных ионно-ионных версиях.

Для повышения стабильности аккумуляторов Li-S при высоких температурах исследователи для разделения двух электродов (катода из сульфида железа и анода, содержащего металлический литий) сначала выбрали электролит на основе карбоната.

Но поскольку сульфид в катоде растворялся в электролите, образуя непроницаемый осадок, ячейка быстро теряла емкость. Тогда Липин Ван и ее коллеги решили добавить слой между катодом и электролитом, чтобы уменьшить эту коррозию, не понижая функциональность и перезаряжаемость аккумулятора.

Исследователи покрыла катоды из сульфида железа различными полимерами и уже в первоначальных электрохимических испытаниях производительности выяснили, что полиакриловая кислота (PAA) показала себя лучше всего, сохранив разрядную емкость электрода после 300 циклов заряда-разряда.

Включив катод из сульфида железа с покрытием PAA в конструкцию прототипа батареи, которая включала электролит на основе карбоната, металлическую фольгу из лития в качестве источника ионов и анод на основе графита, разработчики изготовили и протестировали два прототипа батарей — в виде плоского мешочка и в виде «монетки».

После более чем 100 циклов заряда-разряда Ван и ее коллеги не наблюдали заметного снижения емкости в батарейке-мешочке. Дополнительные эксперименты показали, что такой элемент продолжал работать даже после того, как его сначала сложили, а затем и разрезали пополам. А аккумулятор-монетка сохранила 72% своей емкости после 300 циклов заряда-разряда.

Затем исследователи нанесли полимерное покрытие на катоды, изготовленные из других металлов, создав литий-молибденовые и литий-ванадиевые батареи. Они также имели стабильную емкость более 300 циклов заряда-разряда. В целом полученные исследователями результаты показали, что покрытые PAA катоды могут производить не только более безопасные батареи Li-S с длительным сроком службы, но и эффективные батареи с другими сульфидами металлов.

Результаты исследования новой батареи ученые команды Ван представили в статье «Связующие хелатного типа, обеспечивающие стабильную цикличность и высокую безопасность литиевых батарей на основе сульфидов переходных металлов», опубликованной в журнале ACS Energy Letters.