Серные батареи: Зеленый скачок для электромобилей

Представьте электромобиль, способный преодолеть 600, 700 или даже 1000 миль на одном заряде. Это значительно больше, чем у самых дальнобойных электрокаров на рынке США, и вдвое превышает официальные показатели Tesla Model 3 с запасом хода 363 мили.

Современные электромобили используют литий-ионные аккумуляторы, которые также питают наши смартфоны, ноутбуки и даже крупномасштабные системы хранения энергии. Эти батареи, являющиеся стандартом десятилетиями, достигли своих физических пределов. Даже с лучшими материалами и оптимизированными конструкциями, емкость литий-ионных батарей ограничена.

Я — инженер-материаловед, изучающий эти батареи и ищущий альтернативы с лучшей производительностью, экологической устойчивостью и более низкой стоимостью. Одной из перспективных разработок являются серные аккумуляторы, которые могут значительно увеличить емкость, хотя пока существуют препятствия для их широкого применения.

Любая батарея состоит из трех основных компонентов: положительно заряженного катода, отрицательно заряженного анода и электролита между ними, по которому перемещаются ионы. В литий-ионных батареях катод изготавливается из оксида металла (часто никеля, марганца и кобальта, соединенных с кислородом), а анод — из графита. Литий-ионные батареи работают за счет перемещения ионов лития между слоями катода и анода.

В литий-серных аккумуляторах ионы лития также перемещаются, но химия отличается. Катод здесь состоит из серы, внедренной в углеродную матрицу, а анод — из чистого лития. При разрядке ионы лития переходят от анода к катоду, где они химически преобразуют серу в ряд соединений, называемых сульфидами лития. При зарядке ионы лития отделяются от сульфидов и возвращаются к аноду.

Этот процесс химического преобразования в литий-серных аккумуляторах задействует больше электронов, чем в литий-ионных. Это означает, что литий-серная батарея теоретически может хранить значительно больше энергии при тех же размерах. Кроме того, сера — это недорогой и широко доступный материал, что позволяет избежать зависимости от редких металлов, таких как никель и кобальт, добыча которых часто связана с проблемами безопасности и этики.

Эти преимущества могли бы привести к созданию более емких, дешевых и экологичных батарей. Однако, почему же литий-серные аккумуляторы еще не стали массовыми?

Главным препятствием является долговечность. Хороший литий-ионный аккумулятор выдерживает тысячи циклов зарядки-разрядки. Литий-серные же батареи теряют емкость гораздо быстрее, иногда после менее чем 100 циклов. Это связано с тем, что некоторые соединения сульфидов лития растворяются в жидком электролите. Этот эффект, известный как «челночное движение» (shuttling), приводит к тому, что с каждым циклом все меньше активных веществ остается для хранения и высвобождения энергии.

За последние десятилетия исследования привели к улучшению конструкций. Новые прототипы сохраняют более 80% начальной емкости даже после тысяч циклов. Этого удалось достичь за счет изменения ключевых компонентов батареи и корректировки химических процессов. Специальные электролиты предотвращают растворение сульфидов лития, а пористая углеродная матрица удерживает их, не давая «уходить» из катода. Это делает реакции более эффективными и продлевает срок службы батареи.

Несмотря на прогресс, литий-серные аккумуляторы все еще сталкиваются с проблемами. Хотя их катоды менее летучи, чем у литий-ионных, исследования в области безопасности продолжаются. Другая сложность заключается в том, что чем выше энергоемкость литий-серной батареи, тем меньше циклов зарядки она может выдержать из-за интенсивности химических реакций. Этот компромисс может быть приемлем для дронов или стационарных накопителей энергии, но для электромобилей, требующих высокой энергоемкости и длительного срока службы, ученым еще предстоит найти оптимальное решение. Поэтому, вероятно, следующее поколение литий-серных батарей появится не раньше, чем через несколько лет.