Исследователи развивали прототип батареи литиевой серы следующего поколения, которая берет ее вдохновение частично от клеток, выравнивающих человеческий кишечник. У батарей, если коммерчески развито, была бы пять раз плотность энергии литий-ионных аккумуляторов используемой в смартфонах и другой электронике.Новый дизайн, исследователями из Кембриджского университета, преодолевает одну из ключевых технических проблем, препятствующих коммерческой разработке батарей литиевой серы, предотвращая ухудшение батареи, вызванной потерей материала в нем. О результатах сообщают в журнале Advanced Functional Materials.
Работая с сотрудниками в Технологическом институте Пекина, Кембриджские исследователи базировались в команде доктора Васанта Кумара в Отделе Материаловедения и развитой Металлургии и проверили наноструктурированный материал легкого веса, который напоминает ворсинки, подобное пальцу выпячивание, которое выравнивает тонкую кишку. В человеческом теле ворсинки используются, чтобы поглотить продукты вываривания и увеличить площадь поверхности, по которой может произойти этот процесс.В новой батарее литиевой серы слой материала с подобной ворсинкам структурой, сделанной из крошечных цинковых проводов окиси, помещен на поверхность одного из электродов батареи. Это может заманить фрагменты в ловушку активного материала, когда они прерываются, сохраняя их электрохимически доступными и позволяя материалу быть снова использованными.
«Это – крошечная вещь, этот слой, но это важно», сказал соавтор исследования доктор Пол Коксон от Отдела Кембриджа Материаловедения и Металлургии. «Это получает нас длинный путь через узкое место, которое предотвращает разработку лучших батарей».Типичный литий-ионный аккумулятор сделан из трех отдельных компонентов: анод (отрицательный электрод), катод (положительный электрод) и электролит в середине. Наиболее распространенные материалы для анода и катода – графит и литиевая окись кобальта соответственно, которая оба выложили слоями структуры. Положительно заряженные литиевые ионы двигаются вперед-назад от катода через электролит и в анод.
Кристаллическая структура материалов электрода определяет, сколько энергии может быть сжато в батарею. Например, из-за строения атома углерода, каждый атом углерода может взять шесть литиевых ионов, ограничив максимальную мощность батареи.Сера и литий реагируют по-другому, с помощью механизма мультипередачи электрона, означающего, что элементная сера может предложить намного более высокую теоретическую мощность, приводящую к батарее литиевой серы с намного более высокой плотностью энергии.
Однако, когда батарея освобождается от обязательств, литий и сера взаимодействуют, и подобные кольцу зеленовато-желтые молекулы преобразовывают в подобные цепи структуры, известные как полисульфиды. Поскольку батарея подвергается нескольким циклам выброса обвинения, части полисульфида могут войти в электролит, так, чтобы со временем батарея постепенно потеряла активный материал.
Кембриджские исследователи создали функциональный слой, который находится сверху катода и мер активный материал к проводящей структуре, таким образом, активный материал может быть снова использован. Слой составлен из крошечных, одномерных цинковых нанопроводов окиси, выращенных на лесах. Понятие было опробованной использующей коммерчески доступной пеной никеля для поддержки. После успешных результатов пена была заменена легкой циновкой углеволокна, чтобы уменьшить общий вес батареи.
«Изменение от жесткой пены никеля до гибкой циновки углеволокна заставляет слой подражать способу, которым тонкая кишка работает еще больше», сказал соавтор исследования доктор Иньгцзюнь Лю.У этого функционального слоя, как ворсинки кишечника, которые это напоминает, есть очень высокая площадь поверхности. У материала есть очень сильная химическая связь с полисульфидами, позволяя активному материалу использоваться для дольше, значительно увеличивая продолжительность жизни батареи.«Это – первый раз, когда химически функциональный слой с хорошо организованной наноархитектурой был предложен ловушке и снова использует расторгнутые активные материалы во время зарядки аккумулятора и освобождения», сказал ведущий автор исследования Тэн Чжао, студент доктора философии из Отдела Материаловедения & Металлургии. «Беря наше вдохновение от мира природы, мы смогли предложить решение, что мы надеемся, ускорит разработку батарей следующего поколения».
В настоящее время устройство – доказательство принципа, таким образом, коммерчески доступные батареи литиевой серы все еще на расстоянии в некоторые годы. Кроме того, в то время как количество раз батарея может быть заряжена и освобождена от обязательств, был улучшен, это все еще не в состоянии пройти столько же циклов обвинения сколько литий-ионный аккумулятор.
Однако, так как батарея литиевой серы не должна заряжаться так же часто как литий-ионный аккумулятор, может иметь место, что увеличение плотности энергии уравновешивает более низкое общее количество циклов выброса обвинения.«Это – способ обойти одну из тех неловких небольших проблем, которая затрагивает всех нас», сказал Коксон. «Мы все связаны к нашим электронным устройствам – в конечном счете, мы просто пытаемся заставить те устройства работать лучше, надо надеяться делая наши жизни немного более хорошими».