Исследователи из Чикагского университета Pritzker School of Molecular Engineering (UChicago PME) разработали революционную технологию создания серных катодов для твердотельных аккумуляторов, которые демонстрируют рекордную удельную емкость около 1500 миллиампер-часов (мАч) на грамм. Это значение приближается к теоретическому максимуму серы в 1675 мАч/г.
Ключевым достижением ученых стала разработка одностадийного процесса измельчения, при котором все три основных компонента батареи – твердый электролит, проводящий углерод и серный активный материал – измельчаются вместе. Это создает метастабильную межфазную границу, которая значительно улучшает реакционную способность серного катодного материала.
Предыдущие методы требовали раздельного измельчения компонентов с последующим смешиванием, что было не только трудоемко, но и неэффективно, поскольку частицы серы и электролита не находились в тесном контакте.
Сера представляет особый интерес для аккумуляторной промышленности благодаря своей доступности и низкой стоимости. В то время как спрос на литий-ионные батареи к концу десятилетия удвоится по сравнению с уровнем 2023 года, растущие цены на литий и кобальт становятся серьезным препятствием для перехода от ископаемого топлива.
До сих пор широкое использование серы ограничивалось ее изолирующими свойствами и низкой электропроводностью. Однако исследователи UChicago PME обнаружили, что оптимизация размера частиц и способа смешивания материалов может решить эту проблему.
Команда также решила проблему «дыхания» аккумуляторов, когда материалы расширяются и сжимаются во время циклов заряда-разряда. Ученые использовали кремниевый отрицательный электрод в паре с положительным электродом из сульфида лития, где одна сторона батареи расширялась, а другая сжималась, компенсируя изменения толщины.
«Высокопроизводительные батареи никому не помогают, сидя в лабораториях. Чтобы достичь наших энергетических и климатических целей, нам нужно, чтобы они работали в реальном мире. А это значит, что они должны быть доступными в массовом производстве», – заявила профессор Ширли Менг из UChicago PME.