Кевларовите влакна укрепват литиево-серната батерия с 5x капацитет на Li-ion

Сподели

С капацитета да съхраняват до пет пъти повече енергия от днешните литиево-йонни решения, изследователите проявяват голям интерес към литиево-серните батерии, а екип от университета в Мичиган направи стъпка към реализирането на техния реален потенциал. Пробивът зависи от естествено вдъхновена мембрана, която преодолява проблемите със стабилността и предлага на батерията “почти перфектен” дизайн, което й позволява да издържи повече от хиляда цикъла.

„Има редица доклади, в които се твърди няколкостотин цикъла за литиево-серни батерии, но това се постига за сметка на други параметри – капацитет, скорост на зареждане, устойчивост и безопасност“, каза ръководителят на изследователския екип Николас Котов. предизвикателството в днешно време е да се направи батерия, която увеличава скоростта на циклиране от предишните 10 цикъла до стотици цикъла и удовлетворява множество други изисквания, включително разходите.”

Поемайки това предизвикателство, Котов и колегите му се обърнаха към арамидни нановлакна, които са наномащабни версии на кевларовите влакна, и ги оформиха в внимателно проектирани мрежи, които имитират структурата на клетъчните мембрани. Този материал се влива с електролитен гел и предотвратява често срещана причина за повреда на батерията, която е образуването на игловидни израстъци, наречени дендрити, които растат върху един от електродите.

Но предимствата на новата мембрана отиват по-далеч от това. Тъй като литиево-серната батерия се циклира, малки частици литий и сяра, известни като литиеви полисулфиди, се вливат към лития и компрометират капацитета на устройството. Екипът се справи с това, като интегрира малки, био-вдъхновени канали в своята изкуствена мембрана и добави електрически заряд, който отблъсква частиците, като същевременно позволява на положително заредените литиеви йони да текат свободно.

Диаграмата изобразява новата мембрана, блокираща преминаването на литиеви полисулфиди, като същевременно позволява на йоните да преминават свободно

Ахмет Емре, Котов лаборатория

„Вдъхновени от биологични йонни канали, ние проектирахме магистрали за литиеви йони, където литиевите полисулфиди не могат да преминат пътните такси“, каза Ахмет Емре, съавтор на статията.

Резултатът от тази йонна селективност, както се нарича, е литиево-серна батерия с “почти перфектен” дизайн, според Котов. Той казва, че устройството може да се похвали с ефективност, близка до теоретичните граници, докато капацитетът е пет пъти по-голям от стандартната литиево-йонна батерия. Това един ден може да доведе до електрически превозни средства, които могат да пътуват пет пъти по-далеч, без да се нуждаят от презареждане, например.

В реална среда с технология за бързо зареждане учените очакват батерията да издържи около 1000 цикъла, което се счита за 10-годишен живот. В полза на устройството също работи фактът, че сярата е по-изобилна и по-малко проблематична за получаване от кобалта, използван в литиево-йонните батерии, докато арамидните влакна могат да бъдат събрани от стари бронежилетки, което го прави като цяло по-екологично предложение.

„Биомиметичното инженерство на тези батерии интегрира две скали – молекулярна и наномащабна“, казва Котов. „За първи път интегрирахме йонна селективност на клетъчните мембрани и здравина на хрущяла. Нашият интегриран системен подход ни позволи да се справим с всеобхватните предизвикателства на литиево-серните батерии.”

Изследването е публикувано в списанието Природни комуникации.

Източник: Университет на Мичиган

.

Публикациите се превеждат автоматично с google translate


Сподели