Литий-серные аккумуляторы выходят из лаборатории: корейская команда нашла недостающее звено

Южнокорейские исследователи представили стратегию создания катодных материалов для литий-серных аккумуляторов, которая может приблизить появление более ёмких и долговечных батарей для электромобилей, систем хранения энергии и носимой электроники. Команда разработала dual-level engineering-концепцию: она сочетает макро- и микроуровневое проектирование металлоорганических каркасных структур (MOF) для получения иерархических пористых углеродных нановолокон с одиночными атомами кобальта в низкокоординированной конфигурации Co–N3.

Литий-серные аккумуляторы теоретически значительно превосходят традиционные литий-ионные по удельной ёмкости и энергетической плотности, но их практическое применение тормозят несколько ключевых проблем. Основные среди них — «шаттл-эффект» растворимых литиевых полисульфидов, приводящий к потере активного вещества, медленные окислительно-восстановительные реакции и быстрое снижение ёмкости при циклировании. Как отмечает Сын-Кын Пак (Seung-Keun Park) из департамента инженерии перспективных материалов, группа долгое время работала над тем, чтобы совместить архитектурную оптимизацию углеродных матриц с точечным управлением каталитическими центрами на атомном уровне.

Учёные указывают, что одиночные атомы металла, стабилизированные в углеродной матрице в формате металл–N-координационных узлов, представляют собой многообещающий подход для литий-серных систем. Такие центры способны ускорять реакцию и подавлять растворение полисульфидов. Однако для раскрытия их потенциала требуются одновременная оптимизация структуры углеродного носителя и точная настройка окружения каталитических центров.

Иерархическая система пор обеспечивает улучшенную ионную проводимость и смачиваемость электролитом, а также эффективный транспорт активных частиц в объёме электрода. Одновременно атомарно диспергированные центры кобальта в конфигурации N3 усиливают адсорбцию литиевых полисульфидов и ускоряют их превращения, снижая выраженность шаттл-эффекта и повышая стабильность работы катода. По данным авторов, такая синергия структуры и химически активных центров даёт высокую сохраняемость ёмкости и улучшенную скоростную характеристику на протяжении сотен циклов зарядки-разрядки.

Отдельным практическим преимуществом разработанного материала является его свободностоящая, гибкая архитектура: нановолокнистый слой не требует полимерных связующих и металлических коллекторов тока, может использоваться как самостоятельный элемент ячейки и встраиваться, например, в пакетные элементы. По словам доктора Нам, материал продемонстрировал сохранение механической целостности при изгибе и способность питать небольшие устройства, что указывает на готовность концепции к интеграции в реальные форматы аккумуляторных сборок.

С точки зрения применения, технология ориентирована прежде всего на литий-серные аккумуляторы высокой энергоёмкости, которые потенциально позволят электромобилям проезжать больше на одном заряде без значительного увеличения массы батарей, а также обеспечат эффективное хранение энергии для сглаживания колебаний генерации от солнечных и ветровых станций. Дополнительно гибкость и малый вес материалов делают их перспективными для портативной и носимой электроники, где критичны габариты и устойчивость к деформациям.

Авторы подчёркивают, что предложенная dual-level engineering-стратегия не является разовым лабораторным трюком, а демонстрирует воспроизводимый подход к «разумному» проектированию материалов: от подбора пористой структуры углерода до атомарной настройки каталитических центров. По их оценке, дальнейшее развитие подобных решений способно повысить безопасность и эффективность аккумуляторов, снизить потребность в части важных материалов, уменьшить стоимость хранения энергии и сделать чистые технологии более доступными.

 Источник: interestingengineering