Разработан катодный материал с высокой удельной емкостью, предназначенный для литиевых аккумуляторов

Созданный в лаборатории Стэнфордского университета композит, основными элементами которого служат оксид графена и частицы серы, способен поддерживать удельную емкость в ~600 мА•ч/г на протяжении ста с лишним циклов заряда и разряда.

Литиевые аккумуляторы, для которых разрабатывался новый материал, имеют хорошие объемную и гравиметрическую плотности энергии и применяются в самых разных портативных электронных устройствах. Было бы удобно включить в область их использования, скажем, питание электромобилей, но достижимая в современных образцах плотность энергии здесь оказывается недостаточно высокой. Главной причиной этого является пониженная удельная емкость катодных материалов (слоистые оксиды, к примеру, дают всего ~150 мА•ч/г, а LiFePO4 — ~170, тогда как обычный графит на аноде гарантирует уже 370 мА•ч/г).

Недорогая и относительно экологически безопасная сера считается перспективным кандидатом на роль катодного материала, поскольку в ее случае теоретически достижимая удельная емкость составляет 1 672 мА•ч/г. Реализовать ее потенциал на практике мешают малая удельная электропроводность, растворение в электролите полисульфидов, образующихся при заряде и разряде литий-серных аккумуляторов, и эффект объемного расширения при разряде. Все это приводит к тому, что характеристики батареи отдаляются от максимально возможных и очень быстро ухудшаются в процессе использования.

Часть проблем можно решить, изготовив композитный материал на базе серы и углерода (активированного угля, углеродных нанотрубок или мезопористого углерода). Подобные композиты достигали емкости, превышающей 1 000 мА•ч/г, но выдержать более 100 рабочих циклов без заметного снижения характеристик они также не могли.

В новом композите место углеродного элемента занимает оксид графена, предварительно обработанный наночастицами технического углерода с целью повышения электропроводности листов оксида и конечного материала. Частицы серы авторы получали в реакции тиосульфата натрия Na2S2O3 с соляной кислотой в водном растворе поверхностно-активного вещества Triton X-100, которое обеспечивает готовым частицам полиэтиленгликолевое (PEG) покрытие. Цепи PEG «захватывают» и удерживают образующиеся полисульфиды и играют роль буфера, помогая справиться с изменениями объема при разряде.

В экспериментах литий-серные аккумуляторы, оснащенные композитным катодным материалом, показали достойные и, что важно, стабильные величины удельной емкости: она снижалась до ~600 мА•ч/г к десятому циклу заряда и разряда, после чего довольно медленно убывала — примерно на десяток процентов за следующие 90 циклов.

Источник: compulenta.ru

Новости партнеров: