Новое поколение батарей может лучше питать дронов и подводных роботов

 

Батареи для беспилотников

Легкие литий-серные батареи начинают коммерчески конкурировать с литий-ионными

Обрати внимание на это, Тесла. Исследователи из Oxis Energy, начинающей компании в Абингдоне, Великобритания, создают батареи с комбинацией лития и серы, которые накапливают почти в два раза больше энергии на килограмм, чем литий-ионные аккумуляторы в современных электромобилях. Батареи служат не очень долго, выходя из строя примерно через 100 циклов зарядки. Но компания надеется, что

для таких применений, как беспилотные летательные аппараты, подводные аппараты и блоки питания, которые могут нести солдаты, вес будет иметь большее значение, чем цена или долговечность. Небольшая экспериментальная фабрика Oxis нацелена на ежегодное производство от 10 000 до 20 000 батарей, которые находятся в тонких мешочках размером с мобильные телефоны.

Gigafactory этого нет — по крайней мере, пока. Но главный технический директор Дэвид Эйнсворт говорит, что компания смотрит на гораздо больший приз: рынок электромобилей стоимостью 100 миллиардов долларов. "Следующие несколько лет будут критическими", - говорит Эйнсворт. Он и другие видят литий-серу как наследника литий-ионной технологии в качестве доминирующей батареи.

Они воодушевлены потоком недавних сообщений, предполагающих, что многие проблемы производительности и долговечности технологии могут быть преодолены. "Вы видите успехи на нескольких фронтах", - говорит Бретт Хелмс, химик из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли в Калифорнии. Другие, такие как Линда Назар, химик и пионер литий-серы в Университете Ватерлоо в Канаде, остаются осторожными. "Это действительно высокий заказ", чтобы создать литий-серные батареи большой емкости, которые также дешевы, легки, малы и безопасны, говорит она. Улучшение одного фактора, добавляет она, часто происходит за счет других. "Вы не можете оптимизировать их все одновременно".

Литий-ионные аккумуляторы содержат два электрода — анод и катод — разделенные жидким электролитом, который позволяет ионам лития двигаться вперед и назад во время циклов зарядки. На аноде атомы лития вклиниваются между слоями графита, высокопроводящего типа углерода. Когда батарея разряжается, атомы лития отдают электроны и генерируют ток. В результате положительно заряженные ионы лития переходят в электролит. После питания чего-либо от мобильного телефона до Теслы электроны возвращаются на катод, который обычно изготавливается из смеси различных оксидов металлов. Здесь положительные ионы лития в электролите прижимаются к атомам металла, которые заняли движущиеся электроны. Зарядка меняет эту молекулярную перетасовку, поскольку внешнее напряжение толкает ионы лития, чтобы избавиться от своих металлических хозяев и вернуться к аноду.

Металлооксидные катоды надежны. Но эти металлы — обычно сочетание кобальта, никеля и марганца — стоят дорого. А поскольку для удержания одного электрона требуется, чтобы два атома металла работали вместе, эти катоды тяжелые, что ограничивает емкость этих ячеек примерно до 200 ватт-часов на килограмм (Втч/ кг). Сера намного дешевле, и каждый атом серы может содержать два электрона. Теоретически батарея с серным катодом может хранить 500 Втч/кг и более.

График

Включение питания

Литий-серные батареи потенциально могут быть как меньше, так и легче литий-ионных батарей.

Но сера - это совсем не идеальный материал для электрода. Для начала, он изолирует: он не будет передавать электроны ионам лития, пересекающим анод. Это было нарушением сделки до 2009 года, когда исследователи во главе с Назаром показали, что сера может быть встроена в катод, который, как и анод, был сделан из проводящего углерода. Это сработало, но принесло другие проблемы. Формы углерода, такие как графит, очень пористые. Это увеличивает общий размер батареи, не повышая ее емкость, и это означает, что для заполнения пор требуется больше дорогостоящих жидких электролитов. Еще хуже, когда ионы лития связываются с атомами серы на катоде, они реагируют с образованием растворимых молекул, называемых полисульфидами, которые уплывают, разрушая катод и ограничивая количество циклов зарядки. Полисульфиды также могут мигрировать на анод, где они могут нанести дальнейший ущерб.

Теперь достижения идут по всем фронтам. Три группы добились успехов в решении проблем на катоде. Например, в прошлом году исследователи во главе с Хелмсом сообщили в Nature Communications, что они добавили полимерный слой к катоду из углеродной серы, запечатав полисульфиды и позволив батарее выдержать 100 циклов зарядки. Другая группа, возглавляемая Арумугамом Мантирамом из Техасского университета в Остине, заменила графит в катоде высокопроводящим графеном— графитом в листах толщиной всего в один атом. Как они сообщили в выпуске ACS Energy Letters от 12 январяГрафеновые катоды содержали в пять раз больше серы, чем традиционные графитовые, тем самым повышая накопление энергии. И 2 недели назад исследователи во главе с Наньфэн Чжэном, химиком из Университета Сямынь в Китае, сообщили в Джоуле, что они создали ультратонкий "сепаратор", покрыв тонкий лист полипропилена легированными азотом углеродными частицами. Сепаратор находится на катоде, улавливает полисульфиды и превращает их в безвредные частицы сульфида лития. Это увеличило выработку энергии клетками и помогло им пережить 500 циклов зарядки.

Другие работают над решением проблемы полисульфида путем настройки электролита. В выпуске ACS Central Science от 25 мая 2017года Назар и ее коллеги сообщили, что они создали электролит, который позволяет пропускать ионы лития, но препятствует образованию растворимых полисульфидов.

Многие команды также нацелены на анод, стремясь заменить комбинацию лития и графита чистым металлическим литием. Это может увеличить емкость литий-ионных аккумуляторов до 500 Втч / кг — достаточно, чтобы проехать автомобиль почти 500 километров между зарядами, — и дать еще больший прирост для литий-серных аккумуляторов. Однако на сегодняшний день чистые литиевые аноды были загнаны в тупик проблемами во время зарядки, когда атомы лития мигрируют обратно от катода. Они имеют тенденцию накапливаться в одном месте, создавая колючие наросты, которые могут проколоть батарею и вызвать короткие замыкания и даже пожары. Oxis Energy и другой аккумуляторный стартап Sion Power в Тусоне, штат Аризона, говорят, что разработали запатентованные барьеры вокруг анода, которые предотвращают колючие наросты. А на этой неделе в журнале Nature Energyисследователи из Корнельского университета сообщили о стабилизации своего литиевого анода сплавом олова.

Все эти достижения помогут продвинуть вперед литий-серные батареи, говорит Джордж Крэбтри, который руководит Объединенным центром исследований накопления энергии в Аргоннской национальной лаборатории в Лемонте, штат Иллинойс. "Трудно сказать, будут ли это последние прорывы, которые сделают это", - говорит он. - Но я настроен оптимистично. Водители электромобилей во всем мире надеются, что он прав.