КОНФЕТЫ ДАЮТ ИДЕЮ ДИЗАЙНУ АККУМУЛЯТОРОВ

КОНФЕТЫ ДАЮТ ИДЕЮ ДИЗАЙНУ АККУМУЛЯТОРОВ

Вероятно, после очередного лабораторного чаепития с конфетами-трюфелями, содержащими твердую сердцевину, покрытую шоколадом, поверх которого насыпаны размолотые кусочки арахиса, исследователи из США решили использовать «конфетный» дизайн для получения многослойного катода литий-серного аккумулятора, в котором сероуглеродный центр инкапсулирован в многослойную полимерную оболочку, поверх которой находятся фрагменты углерода.

Конфета-трюфель воодушевила исследователей на создание наночастиц, содержащих ядро из серы, инфузированной углеродом, и ион-селективную оболочку из полимера. (Рисунок из Energy Environ. Sci., 2016, DOI: 10.1039/c5ee02367j)

Как отмечает руководитель исследования Джон Малдун (John Muldoon) из Североамериканского Исследовательского Центра компании Тойота, самой сложной частью работы была разработка методики введения углерода в ядро наночастицы, состоящее из серы. Введение электропроводного углерода увеличивает проводимость системы, однако большое количество углерода понижает содержание серы, которая является емким катодным материалом, хотя и имеет свои недостатки.

Во время рабочего цикла аккумулятора сера восстанавливается до полисульфидов, которые растворяются в электролите и мигрируют, удаляясь от катода. Потеря активной серы влияет на срок службы источника питания и его производительность. Новый «конфетный» дизайн объединяет серу с полыми углеродными структурами, в которых и происходит конгрегация полисульфидов. Для стабилизации фрагмента, содержащего серу и углерод, исследователи использовали тонкий слой электропроводного полимера, обеспечивающего форму ядра и позволяющего электролиту достигать серосодержащее ядро. Несмотря на все достоинства, тонкий слой полимера сам по себе не в состоянии улавливать полисульфиды катодного материала. Для упрочнения полимерной основы и для того, чтобы не допустить утечки полисульфидов, исследователи добавили еще одну гибкую электропроводную внешнюю мембрану, представляющую собой многослойный полимер.

Внешняя многослойная мембрана отличается ионной селективностью – однозарядные анионы, стабилизирующие ионы лития, легко проходят через мембрану, в то время как объемные дисульфид-ионы не проникают через нее – особенности сшивки полимерных нитей мембраны создают в ней настоящий лабиринт из пустот, непроходимый для ионов большого размера. Наносферы из углерода, расположенные на внешней мембране, еще в большей степени увеличивают электропроводность катода.

В конечном итоге разработанная конструкция отличается высокой производительностью, значительной стабильностью, катодный материал, на 65% состоящий из серы, обеспечивает практически количественную кулоновскую эффективность в течение 500 циклов зарядки/разрядки. Даже после прекращения циклической работы источника питания на несколько дней исследователи не наблюдали понижения емкости аккумулятора при возобновлении его циклической работы.

Источник: Energy Environ. Sci., 2016, DOI: 10.1039/c5ee02367j