Рядката форма на сяра предлага ключ към батериите за електромобили с троен капацитет

Сподели

Тъй като популярността на електрическите превозни средства продължава да нараства, учените виждат голям потенциал в литиево-серните батерии като по-екологичен начин за захранването им. Това е така, защото те не разчитат на същите скъпи и трудни за набавяне суровини, като кобалт, но други проблеми, свързани с тяхната стабилност, задържат технологията досега. Инженерите от университета Дрексел са направили пробив, според който тези батерии се доближават до търговската употреба, като използват рядка химическа фаза на сяра, за да предотвратят вредни химични реакции.

Литиево-серните батерии имат много обещания, когато става въпрос за съхранение на енергия, и не само защото сярата е в изобилие и по-малко проблематична за източник от кобалта, мангана и никела, използвани в днешните батерии. Те могат да предложат и някои значителни печалби в производителността, с потенциал да съхраняват няколко пъти повече енергия от днешните литиево-йонни батерии. Но има един проблем, с който учените продължават да се сблъскват, а именно образуването на химични съединения, наречени полисулфиди.

Докато батерията работи, те проникват в електролита – разтворът, който пренася заряда напред и назад между анода и катода – където предизвикват химични реакции, които компрометират капацитета и живота на батерията. Учените са постигнали известен успех, като заменят карбонатния електролит с етерен електролит, който не реагира с полисулфидите. Но това създава други проблеми, тъй като самият етерен електролит е силно летлив и съдържа компоненти с ниски точки на кипене, което означава, че батерията може бързо да се повреди или да се разтопи, ако се затопли над стайна температура.

Инженерите по химия от университета Drexel работят върху друго решение и то започва с проектирането на нов катод, който може да работи с карбонатните електролити, които вече са в търговска употреба. Този катод е направен от въглеродни нановлакна и вече е доказано, че забавя движението на полисулфидите в етерния електролит. Но направата му да работи с карбонатен електролит включва някои експерименти.

Поглед отблизо на катода от въглеродни нановолакна, разработен в университета Дрексел

Университет Дрексел

„Наличието на катод, който работи с карбонатния електролит, който вече използват, е пътят на най-малкото съпротивление за търговските производители“, каза водещият изследовател Вибха Калра. „Така че вместо да настояваме индустрията да приеме нов електролит, нашата цел беше да направим катод, който да работи в съществуващата литиево-йонна електролитна система.

Учените се опитаха да ограничат сярата в мрежата от въглеродни нановлакна, за да предотвратят опасните химични реакции, използвайки техника, наречена разпределение на парите. Това нямаше желания ефект, но както се оказа, всъщност кристализира сярата по неочакван начин и я превърна в нещо, наречено моноклинна гама-фазова сяра, леко променена форма на елемента. Тази химическа фаза на сяра е била произведена само при високи температури в лабораторията или е наблюдавана в нефтени кладенци в природата. Удобно за учените, той не реагира с карбонатния електролит, като по този начин се премахва рискът от образуване на полисулфиди.

„В началото беше трудно да се повярва, че това е, което откриваме, тъй като при всички предишни изследвания моноклинната сяра е била нестабилна под 95 °C (203 °F)“, каза Рахул Пай, съавтор на изследването. „През миналия век имаше само няколко проучвания, които произвеждаха моноклинна гама сяра и тя беше стабилна само за 20-30 минути най-много. Но ние го бяхме създали в катод, който претърпя хиляди цикли заряд-разряд без намалена производителност – и година по-късно нашето изследване показва, че химическата фаза е останала същата.”

Учените са стабилизирали рядка форма на сяра в нов катод, проправяйки пътя за нова порода батерии с висок капацитет
Учените са стабилизирали рядка форма на сяра в нов катод, проправяйки пътя за нова порода батерии с висок капацитет

Университет Дрексел

Катодът остана стабилен през година на тестване и 4000 цикъла заряд-разряд, което според учените е еквивалентно на 10 години редовна употреба. Прототипната батерия, която екипът направи с този катод, предлагаше троен капацитет от стандартна литиево-йонна батерия, проправяйки пътя за по-екологично чисти батерии, които позволяват на електрическите превозни средства да пътуват много по-далеч при всяко зареждане.

„Докато все още работим, за да разберем точния механизъм зад създаването на тази стабилна моноклинна сяра при стайна температура, това остава вълнуващо откритие и едно, което може да отвори редица врати за разработване на по-устойчива и достъпна технология за батерии“, каза Калра.

Изследването е публикувано в списанието Комуникационна химия.

Източник: Университет Дрексел



Публикациите се превеждат автоматично с google translate


Сподели