Зараз в електромобілях використовуються літій-іонні акумулятори, розраховані на 200-300 циклів зарядки. Передбачається, що їм на зміну прийдуть літій сірчані акб, але у них є кілька проблем. По-перше, їх можна перезарядити всього 10 разів. По-друге, в них відбувається дифузія полісульфіду літію і зростання літієвих дендритів, що різко скорочує термін їх служби.
на зображенні: зарядка літій-іонної батареї електромобіля
Хоча до цього вже вдавалося збільшити число циклів зарядки літій-сірчаних акумуляторів, але при це знижувалися їх ємність, надійність і безпеку. Тепер у вчених з мічиганського університету вийшло усунути ці проблеми і створити літій-сірчаний акумулятор ємністю 1268 маг/г і терміном служби більше 3500 циклів.
Для цього в новому акб використана біоміметична мембрана, яка представляє собою мережу арамідних нановолокон, просочених з просоченням електролітним гелем. Така надміцна перешкода перешкоджає зростанню дендритів-жорстких деревовидних структур, які часто утворюються в літієвих батареях і ростуть від одного електрода до іншого.
Також мембрана запобігає об’єднання атомів літію і сірки в полісульфіди, здатне привести до різкого зменшення ємності акумулятора. Нова мембрана не тільки пропускає іони літію від літієвого електрода до сірчаного і назад, але і затримує полісульфіди літію.
схема розташування літій-іонного акумулятора в електромобілі. На зміну йому можуть прийти літій-сірчані акб, які володіють більшою ємністю, витривалістю і в перспективі будуть витримувати більше 3500 циклів зарядки. Зображення: volkswagen
Так як обидва види частинок мають однаковий розмір, то затримати полісульфіди шляхом простого створення каналів в перегородці неможливо. Тому дослідники зімітували пори в біологічних мембранах і доклали до них електричний заряд.в результаті полісульфіди літію прилипають до арамідних нановолокнам, після чого їх негативні заряди починають відштовхувати такі ж полісульфідні освіти. А ось іони літію, що мають позитивний заряд, як і раніше можуть вільно перетікати від одного електрода до іншого.
<
Схема літій-сірчаної батареї, на якій видно, як іони літію можуть повертатися до літієвого електроду, а полісульфіди літію не здатні проходити через мембрану. При цьому дендрити, які ростуть з літієвого електрода, не можуть викликати коротке замикання, пробивши мембрану і досягнувши сірчаного електрода. Зображення: ahmet emre, kotov lab
При такій конструкції літій-сірчаної батареї її ємність близька до теоретично граничної (1675 ма·год/г), і вона також здатна працювати при низьких і надвисоких температурах – до +80 ⁰с. І хоча реальний термін служби при швидкій зарядці може знижуватися з 3500 до 1000 циклів, це все одно набагато більше, ніж можливості літій-іонних акумуляторів.
Перевага літій-сірчаних батарей також полягає в тому, що сірка – більш поширена речовина, ніж кобальт, який застосовується в літій-іонних акб. Це веде до здешевлення виробництва акумуляторів і як наслідок-електромобілів. До того ж арамідні волокна для біоміметичної мембрани можна отримати при переробці старих бронежилетів, що робить такі батареї більш екологічними.
