Литий-ионные батареи изменили мир. Без возможности хранить значимое количество энергии в перезаряжаемом, портативном формате у нас не было бы смартфонов или других персональных электронных устройств. Пионеры технологии были удостоены Нобелевской премии по химии 2019 года.
Но по мере того, как мы будем отходить от ископаемого топлива, нам понадобятся более радикальные новые технологии хранения энергии для поддержки производства электроэнергии из возобновляемых источников, электромобилей и других нужд.
Одной из таких технологий могут быть литий-серные батареи: они накапливают значительно больше энергии, чем их литий-ионные двоюродные братья - теоретически в шесть раз больше энергии при заданном весе. Более того, они могут быть изготовлены из дешевых материалов, которые легкодоступны по всему миру.
До сих пор литий-серные батареи были непрактичны. Их химия позволяет им хранить столько энергии, что батарея физически распадается под нагрузкой.
Однако мы с коллегами разработали новую конструкцию этих батарей, которая позволяет заряжать и разряжать их сотни раз без поломки. Мы надеемся, что в ближайшие 2-4 года будет готов коммерческий продукт.
Что хорошего в сере?
Для производства литий-ионных батарей требуются такие минералы, как редкоземельные, никелевые и кобальтовые, для получения положительных электродов. Поставки этих металлов ограничены, цены растут, а их добыча часто сопряжена с большими социальными и экологическими издержками.
Инсайдеры отрасли даже предсказали серьезный дефицит этих ключевых материалов в ближайшем будущем, возможно, уже в 2022 году.
Напротив, сера относительно распространена и дешева. Сера занимает 16-е место по содержанию элементов на Земле, а шахтеры ежегодно добывают около 70 миллионов тонн серы. Это делает ее идеальным ингредиентом для батарей, если мы хотим, чтобы они широко использовались.
Человек, столкнувшийся с трудной работой, может испытывать стресс, если требования превышают его способность справляться с работой, что приводит к снижению производительности или производительности труда. Во многом таким же образом, электрод батареи, запрашиваемый для хранения большого количества энергии, может подвергаться повышенному стрессу.
В литий-серной батарее энергия накапливается, когда положительно заряженные ионы лития поглощаются электродом, состоящим из частиц серы в углеродной матрице, удерживаемой вместе с полимерным связующим. Большая емкость аккумулятора означает, что при полном заряде электрод разбухает почти в два раза.
Цикл разбухания и усадки по мере заряда и разряда батареи приводит к постепенной потере когезии частиц и к постоянным искажениям углеродной матрицы и полимерного связующего.
Углеродная матрица является жизненно важным компонентом батареи, который доставляет электроны к изолирующей сере, а полимер склеивает серу и углерод. Когда они искажаются, пути перемещения электронов через электрод (фактически электрическая проводка) разрушаются, и производительность батареи очень быстро ухудшается.
Традиционный способ производства батарей создает сплошную плотную сеть связующего по всей длине электрода, которая не оставляет много свободного пространства для движения.
Обычный способ работает для литий-ионных батарей, но для серы нам пришлось разработать новую методику.
Для того, чтобы наши батареи были просты и дешевы в производстве, мы использовали тот же материал, что и связующее вещество, но переработали его немного по-другому. В результате получилась похожая на паутину сеть связующего, которая удерживает частицы вместе, но при этом оставляет достаточно места для расширения материала.
Эти электроды, устойчивые к расширению, эффективно справляются с циклическими напряжениями, позволяя частицам серы жить до полной энергетической емкости.
Майнак Маджумдер и Мэтью Хилл имеют долгую историю перевода открытий лабораторного масштаба на практическое применение в промышленности, а наша многопрофильная команда включает в себя специалистов по синтезу и функционализации материалов, проектированию и созданию прототипов, внедрению устройств в электросети и электромобилях.
Другим ключевым ингредиентом этих батарей является, конечно же, литий. Учитывая, что Австралия является ведущим мировым производителем, мы считаем, что изготовление батарей здесь вполне естественно.
