По мере того, как катоды в литий-ионных батареях приближаются к теоретическому пределу своих возможностей, ученые все активнее разрабатывают альтернативные решения. Литий-серные батареи отличаются высокой удельной емкостью, дешевизной и безопасностью для окружающей среды. Китайские ученые смогли избавиться от нескольких недостатков этого типа аккумулятора, увеличив проводимость, стабильность работы и удержание серы. Даже после 300 циклов емкость батареи оставалась на уровне 601,54 мАч/г, при этом средний спад емкости составил всего 0,16 % за цикл, что намного превосходит коммерческие аналоги.
Несмотря на высокий потенциал, литий-серные батареи не могут похвастаться высокой проводимостью и долговечностью. Промежуточные соединения серы затрудняют транспорт ионов, катод при полном цикле расширяется на 80 %, а челночное движение полисульфида вызывает саморазряд. Все это снижает эффективность и срок службы батареи, сообщает IE.
Ученые из Шанхайского университета Цзяотун разработали на основе металл-органических координационных полимеров (МОСР) иерархическую пористую структуру из диоксида титана и нанопористого углерода. Из этого материала и был изготовлен катод с высоким содержанием серы, обладающий повышенной проводимостью, стабильностью и максимальным уровнем удержания серы.
На начальном этапе многоэтапного процесса подготовки ученые синтезировали предшественники МОКП из фталевой кислоты и тетрабутилтитаната. Затем последовала ультразвуковая обработка и интенсивное перемешивание для обеспечения надлежащего формирования материала-предшественника. После этого смесь нагревали в гидротермальном котле при 155 °C в течение 20 часов, промыли, высушили и карбонизовали в течение 12 часов при 500 °C в азотной среде в высокотемпературной трубчатой печи. Наконец, смесь соединили с сублимированной серой, запечатали в вакууме и нагревали в течение 12 часов при температуре 160 °С.
Анализ материала с помощью сканирующего и просвечивающего электронных микроскопов показал, что сера проникла в поры материала, а изучение рентгеновской дифракции подтвердило хорошую дисперсию серы. Были обнаружены также сильные связи O-S и Ti-S, стабилизирующие серу и снижающие челночный эффект. Термогравиметрический анализ показал содержание серы на уровне 64,09 %, а расчет по методу Брунауэра — Эммета — Теллера выявил многоуровневую пористую структуру с площадью поверхности 155,34 м²/г, что свидетельствует об улучшенном проникновении электролита и ассимиляции расширения серы.
Электрохимические испытания подтвердили высокую производительность электрода: эксперименты по заряду-разряду при рейтинге батареи 0,5 С — при котором аккумулятор разряжается наполовину за час — показали начальную емкость 1327,35 мАч/г.
Даже после 300 циклов емкость оставалась на уровне 601,54 мАч/г, при этом средний спад емкости составил всего 0,16 % за цикл, что намного превосходит коммерческие аналоги.
В тестах на производительность при рейтинге 1 С емкость составила 928 мАч/г, а при 1,5 С достигла 743 мАч/г. Другие испытания показали, что катод обладает пониженным сопротивлением переносу заряда, что свидетельствует о лучшей проводимости.
