Исследователи из Кореи разработали инновационную технологию, которая позволяет значительно ускорить процесс зарядки литий-серных батарей. Теперь полная зарядка занимает всего 12 минут, а полученная емкость сохраняется значительно дольше. Это открытие может стать ключевым этапом в коммерциализации литий-серных батарей для электромобилей.
Как появилась новая технология
Прорыв стал возможным благодаря работе команды ученых из Научно-технического университета DGIST под руководством профессора Джонг-Сунг Ю. Исследователи создали новый пористый углеродный материал, легированный азотом. Эта разработка позволила устранить одну из главных проблем литий-серных батарей — медленную скорость зарядки.
Литий-ионные батареи традиционно используются в экологически чистых технологиях, таких как электромобили. Однако их ограниченная емкость и высокая стоимость производства препятствуют более широкому коммерческому применению. Литий-серные батареи, в свою очередь, обладают большей плотностью энергии, а использование серы в качестве основного материала делает их более доступными.
Трудности литий-серных батарей
Несмотря на перспективы, литий-серные батареи сталкиваются с рядом проблем. Одна из них — неэффективное использование серы во время быстрой зарядки, что приводит к значительному снижению емкости. Кроме того, в процессе разряда образуются полисульфиды лития. Эти соединения мигрируют внутри батареи и ухудшают её характеристики.
Для решения этих проблем ученые уже предпринимали попытки встраивать серу в пористые углеродные структуры. Однако ни одна из разработок ранее не достигла уровня, необходимого для полноценной коммерциализации.
Новый подход: пористый углерод и азот
Группа профессора Ю синтезировала уникальный многопористый углеродный материал, обогащенный азотом, который используется в катодах литий-серных батарей. Этот материал поддерживает высокую энергоемкость даже при быстрой зарядке. Технология основана на методе термического восстановления с использованием магния и ZIF-8.
ZIF-8 представляет собой металлоорганический каркас (MOF), известный своей высокой термической и химической стабильностью, а также пористой структурой. При высоких температурах магний вступает в реакцию с азотом в ZIF-8, что делает углеродную структуру прочной и стабильной. Эта структура позволяет увеличивать загрузку серы и улучшать контакт между серой и электролитом, что значительно повышает производительность батареи.
Результаты и преимущества
С помощью нового материала исследователи добились впечатляющих результатов. В литий-серной батарее, разработанной командой, была использована многофункциональная углеродная структура. Даже при быстрой зарядке, занимающей всего 12 минут, батарея демонстрировала емкость, которая на 60% превышает показатели стандартных батарей.
Легирование углерода азотом позволило эффективно подавить миграцию полисульфидов лития. Это обеспечило сохранение 82% емкости батареи даже после 1000 циклов зарядки и разрядки, что подтверждает её высокую стабильность.
Подтверждение эффективности
Дополнительный анализ, проведенный международной командой исследователей под руководством доктора Халила Амина из Аргоннской национальной лаборатории (Франция), показал, что новый материал способствует правильной ориентации сульфида лития в слоях углерода. Это улучшает загрузку серы и ускоряет химические реакции, что повышает скорость зарядки батареи.
Значение открытия
Разработка корейских ученых открывает путь к широкому использованию литий-серных батарей в коммерческом производстве, в том числе для электромобилей. Высокая энергоемкость, устойчивость к быстрому износу и снижение производственных затрат делают эту технологию значимым вкладом в развитие экологически чистых источников энергии.
Ранее международные исследователи продемонстрировали потенциал других инновационных технологий, таких как кристаллы времени, которые могут улучшить работу лазеров, датчиков и систем связи. Эти достижения подчеркивают важность научных исследований для прогресса в самых разных областях, включая экологию, энергетику и высокие технологии.