Новости химической науки > Мощный, безопасный аккумулятор с долгим сроком работы

Олово-сера-литий-ионные аккумуляторы могут стать альтернативой обычным литий-ионным источникам питания.

Обычной проблемой аккумуляторов портативных компьютеров и других электронных устройств является не только относительно малый запас энергии, но то, что по мере старения источники питания становятся способны запасать все меньшее количество электричества. При этом частое повторение циклов разрядки-зарядки элементов питания приводит к их быстрому старению. Таким образом, разработка новых источников питания, отличающихся большей энергетической емкостью, увеличенной безопасностью и большим временем жизни, являются весьма актуальной задачей химиков, разрабатывающих новые материалы для микроэлектроники.

Рисунок из Angew. Chem. Int. Ed., 2010, doi: 10.1002/anie.200907324

Бруно Скросати (Bruno Scrosati) и Юсеф Хассун (Jusef Hassoun) из Университета Рима разработали многообещающий подход, который может быть использован для получения литий-ионных батарей нового поколения, которые могут отвечать описанным выше критериям.

Мобильные телефоны, ноутбуки и смартфоны уменьшаются в размерах, однако при этом растет их энергопотребление, с которым не могут справиться обычные аккумуляторы. Теоретически в качестве источников питания электронных приборов будущего могу выступать литий-серные аккумуляторы – их энергетическая емкость на единицу массы выше, чем у обычных литий-ионных аккумуляторов. Однако использование литий-серных аккумуляторов осложняется тем, что их электроды медленно растворяются, а это, в свою очередь, приводит к уменьшению емкости аккумулятора. Помимо этого, металлический литий может выделяться, образуя дендримерные структуры, вызывающие короткие замыкания. Последняя причина обуславливает то, что в коммерческих литий-ионных аккумуляторов в качестве материала электродов выступает абсорбирующий и высвобождающий ионы лития графит а не сам литий.

Исследователи из Италии решили скомбинировать несколько новых типов аккумуляторов, используя в новом устройстве их преимущества. Катодом нового типа аккумулятора, не содержащий металлического лития является композитный материал из углерода и сульфида лития. Раствор органического электролита замещен запакованной в полимерный гель жидкостью, содержащей ионы лития. Полимерная оболочка экранирует жидкость от электродов, при этом жидкость внутри оболочки насыщена сульфидом лития. Конструкция устройства позволяет уменьшить степень растворения электродов. В качестве анода выступали наноразмерные частицы олова, внедренные в защитную углеродную матрицу.

В разработанном устройстве протекают следующие процессы. На аноде сульфид серы окисляется с образованием элементарной серы и ионов лития. Ионы лития мигрируют к катоду, восстанавливаются до атомов лития, образующих сплав с наночастицами олова. Этот процесс обратим и позволяет организовать достаточное количество циклов разрядки и разрядки аккумулятора. Плотность энергии нового аккумулятора составляет около 1100 Ватт·час/кг, это значение превосходит энергетическую емкость известных литиевых аккумуляторов, не содержащих элементного металла. Исследователи полагают, что энергетическая емкость нового устройства позволит применять его и для питания электромобилей.

Источник: Angew. Chem. Int. Ed., 2010, doi: 10.1002/anie.200907324

метки статьи: #неорганическая химия, #новые материалы, #физическая химия, #химия полимеров