Дослідники виявляють великий інтерес до літій-сірчаних батарей, здатних зберігати в п'ять разів більше енергії, ніж сучасні літій-іонні акумулятори. Команда університету Мічігану зробила крок до реалізації їх реального потенціалу. Прорив базується на застосуванні природної мембрани, яка усуває проблеми зі стабільністю та пропонує «майже ідеальну» конструкцію, що дозволяє працювати понад тисячу циклів.
«Є ряд звітів про кількасот циклів для літій-сірчаних акумуляторів, але це досягається за рахунок інших параметрів — ємності, швидкості зарядки, відмовостійкості та безпеки», — сказав керівник дослідницької групи Микола Котов. Зараз завдання полягає в тому, щоб створити батарею, яка збільшує частоту циклів з колишніх 10 циклів до сотень циклів і задовольняє безліч інших вимог, включаючи вартість».
Прийнявши цей виклик, Котов і його колеги звернулися до арамідних нановолокон, які є нанорозмірними версіями кевларових волокон, і перетворили їх у ретельно розроблені мережі, які імітують структуру клітинних мембран. Цей матеріал, наповнений електролітним гелем, запобігає поширеній причині виходу з ладу батареї,
яка полягає в утворенні голчастих наростів, які називаються дендритами.
Але переваги нової мембрани цим не обмежуються. При циклуванні літій-сірчаної батареї дрібні частинки літію та сірки, відомі як полісульфіди літію, потрапляють у літій та знижують ємність пристрою. Команда вирішила цю проблему, інтегрувавши крихітні біологічні канали в штучну мембрану і додавши електричний заряд, який відштовхує частинки, дозволяючи позитивно зарядженим іонам літію текти вільно.
За словами Котова, результатом так званої іонної селективності є літій-сірчана батарея з «майже ідеальною» конструкцією. Він каже, що пристрій може похвалитися ефективністю, що наближається до теоретичних меж, а ємність у п'ять разів більша, ніж у стандартної літій-іонної батареї. Одного дня це може призвести до того, що електромобілі зможуть проїхати вп'ятеро більше без підзарядки.
У реальних умовах із технологією швидкої зарядки вчені очікують, що батареї вистачить приблизно на 1000 циклів, що вважається 10-річним терміном служби. На користь пристрою також вказує той факт, що запасів сірки багато та менше проблем для отримання, ніж кобальту, який використовується в літій-іонних батареях. Арамідні волокна можна отримати зі старих бронежилетів, що робить його більш екологічно чистим.
«Біоміметична інженерія цих батарей об’єднала два масштаби – молекулярну та нанорозмірну, – каже Котов. – Ми вперше об’єднали іонну селективність клітинних мембран і міцність хряща. Наш інтегрований системний підхід дозволив нам вирішити загальні проблеми літій-сірчаних батарей».
Дослідження опубліковано в журналі Nature Communications.
Джерело newatlas.com
