COF представляют собой привлекательное решение, поскольку их можно создавать с точностью на молекулярном уровне.
Читайте далее: Новый графеновый интерфейс обеспечивает работу литий-серных батарей в течение 1000 циклов
Поскольку спрос на электромобили, системы хранения возобновляемой энергии и портативную электронику продолжает расти, исследователи ищут аккумуляторные технологии, которые могли бы хранить больше энергии, стоить дешевле и служить дольше, чем современные литий-ионные батареи.
К числу наиболее перспективных кандидатов относятся литий-серные (Li-S) батареи, которые обладают значительно более высокой теоретической плотностью энергии, при этом используя серу — распространенный и недорогой материал.
Несмотря на эти преимущества, литий-серные батареи с трудом выходят за пределы лабораторных условий из-за сохраняющейся проблемы, известной как «эффект переноса полисульфидов».
Теперь исследовательская группа из Университета Тохоку и сотрудничающих учреждений разработала новый молекулярно-инженерный материал, который может помочь преодолеть эту давнюю проблему, приблизив практическое внедрение литий-серных батарей на шаг к коммерциализации.
Литий-серные батареи вырабатывают электроэнергию посредством ряда химических реакций.
Литий-серные батареи вырабатывают электроэнергию посредством ряда химических реакций, в которых сера превращается в растворимые полисульфиды лития во время разряда и обратно во время зарядки. Эта многоступенчатая реакция позволяет литий-серным батареям накапливать гораздо больше энергии, чем обычные литий-ионные батареи.
Однако растворимые полисульфиды лития, образующиеся в процессе эксплуатации, могут мигрировать с серного катода на литиевый анод. Это нежелательное перемещение, известное как эффект переноса полисульфидов, приводит к потере активного материала, побочным реакциям, саморазряду и быстрому снижению емкости. В результате значительно сокращается срок службы и эффективность батареи.
В течение многих лет исследователи пытались блокировать эту миграцию с помощью физических барьеров, но такие подходы часто ухудшают характеристики батарей.
Однако именно химические процессы, обеспечивающие литий-серным батареям огромный потенциал накопления энергии, одновременно являются и их главным недостатком. Образующиеся в процессе циклирования промежуточные полисульфиды лития ведут себя подобно блуждающим путешественникам: растворившись в электролите, они могут покидать серный катод, перемещаться через сепаратор и достигать литий-металлического анода. Эта неконтролируемая миграция запускает каскад вредных процессов, включая побочные реакции, истощение активной серы, образование нестабильных межфазных слоев, саморазряд и постепенное снижение емкости батареи при многократном использовании, говорится в пресс-релизе.
Однако профилактика не заключается в возведении физического барьера. Вместо этого, интерфейс сепаратора должен функционировать скорее как интеллектуальный контрольный пункт. Он должен быть способен избирательно распознавать полисульфидные соединения, захватывать их посредством сильных химических взаимодействий, быстро переносить электроны для поддержания электрохимической активности и активно направлять промежуточные продукты серы через последовательные стадии их восстановления и окисления. Как указано в пресс-релизе, объединение этих разнообразных функций в рамках единой материальной платформы остается одной из главных задач в разработке практичных литий-серных батарей.
Для решения этой проблемы команда создала новый COF на основе тетратиафульвалена и краун-эфира, названный TUS-44, и интегрировала его с проводящим графеном, образовав функциональный слой TUS-44@G для литий-серных батарей. Каркас содержал иминовый азот, кислород краун-эфира и богатые серой участки тетратиафульвалена, которые вместе обеспечивают иерархию мест взаимодействия для полисульфидов лития, в то время как графеновый компонент обеспечивает эффективный путь переноса электронов.
В ходе испытаний батарей элементы, оснащенные слоем TUS-44@G, продемонстрировали высокую обратимую емкость 1455,7 мА·ч·г⁻¹ при 0,2 А·г⁻¹, сохранили отличную скорость разряда 773 мА·ч·г⁻¹ при 10 А·г⁻¹ и показали долговременную стабильность с уменьшением емкости всего на 0,034% за цикл в течение 1000 циклов при 5 А·г⁻¹. Литий-серный пакетный элемент с тем же промежуточным слоем достиг начальной плотности энергии приблизительно 674 Вт·ч·кг⁻¹ при 0,05 А·г⁻¹, что демонстрирует перспективность этого молекулярно-инженерного интерфейса для практических высокоэнергетических батарей.
«Наша цель состояла в том, чтобы разработать промежуточный слой, который не просто блокирует полисульфиды, а активно управляет путем их реакции», — объясняет Сайкат Дас, младший доцент Института междисциплинарных исследований перспективных материалов Университета Тохоку.
Больше новостей из мира энергетики
Посмотреть все 
Новый графеновый интерфейс обеспечивает работу литий-серных батарей в течение 1000 циклов.
Sourse: interestingengineering.com
