Ученые из Мичигана разработали в 5 раз более ёмкую батарею из кевларовых волокон

[Craus]

КПД устройства приближается к теоретически допустимому пределу, а емкость аккумулятора в пять раз превышает емкость стандартного литий-ионного аккумулятора

Исследователи проявляют большой интерес к литий-серным батареям, которые способны хранить в пять раз больше энергии, чем современные литий-ионные растворы. Команда Мичиганского университета добилась значительного прогресса в реализации этого потенциала в реальном мире. Прорыв связан с применением мембраны естественного происхождения, которая позволила преодолеть проблемы стабильности и создать "почти идеальную" конструкцию батареи, позволяющую ей прослужить более тысячи циклов.

"Существует ряд отчетов, в которых утверждается, что литий-серные батареи работают по несколько сотен циклов, но это достигается за счет других параметров - емкости, скорости зарядки, устойчивости и безопасности", - сказал руководитель исследовательской группы Николас Котов. "Сегодня задача состоит в том, чтобы сделать батарею, которая увеличит количество циклов с прежних десяти  до нескольких сотен и при этом будет соответствовать множеству других требований, включая низкую стоимость".

Для решения этой задачи Котов и его коллеги использовали арамидные нановолокна, которые представляют собой наномасштабные модели кевларовых волокон, и создали из них сложные сети, имитирующие структуру клеточных мембран. Этот материал, пропитанный гелевым электролитом, позволил предотвратить основную причину выхода из строя аккумуляторов - образование на одном из электродов игольчатых наростов, называемых дендритами.

Но преимущества новой мембраны не ограничиваются только этим. При циклическом использовании литий-серной батареи мелкие частицы лития и серы, известные как полисульфиды лития, перетекают в литий и снижают емкость устройства. Команда решила эту проблему, встроив в искусственную мембрану крошечные биоинспирированные каналы и добавив электрический заряд, который отталкивает частицы, позволяя положительно заряженным ионам лития свободно перемещаться.



На диаграмме изображена новая мембрана, блокирующая прохождение полисульфидов лития и позволяющая ионам свободно проходить. Ahmet Emre, Kotov Lab

"По примеру ионных каналов биологического происхождения мы создали магистрали для ионов лития, через которые полисульфиды лития не могут проникать", - сказал Ахмет Эмре, один из первых авторов статьи.

По словам Котова, результатом этой ионной селективности является литий-серная батарея с "почти идеальной" конструкцией. Он утверждает, что КПД устройства приближается к теоретически допустимому пределу, а емкость аккумулятора в пять раз превышает емкость стандартного литий-ионного аккумулятора. Это может позволить в один прекрасный день создать электромобили, которые, смогут проехать в пять раз большее расстояние без подзарядки.

В реальных условиях при использовании технологии быстрой зарядки, по расчетам ученых, батарея должна прослужить около 1 000 циклов, что соответствует 10-летнему сроку службы. В пользу этого устройства говорит и тот факт, что сера более доступна и менее трудоемка в добыче, чем кобальт, используемый в литий-ионных батареях, а арамидные волокна могут быть получены из старых пуленепробиваемых жилетов, что делает это изобретение в целом более экологичным.

"Биомиметическая архитектура этих батарей соединила два разных уровня - молекулярный и наномасштабный", - говорит Котов. "Впервые мы объединили ионную селективность клеточных мембран и прочность хрящевой ткани. Благодаря комплексному подходу мы смогли решить основные проблемы литий-серных батарей".

Исследование было опубликовано в журнале Nature Communications.

Источник