Новый катализатор устраняет эффект переноса ионов, что помогает литий-серным батареям служить дольше и сохранять высокую емкость.
Китайские исследователи разработали новый катализатор, который помог литий-серной батарее сохранить 93 процента своей емкости после 600 циклов зарядки-разрядки. Этот шаг может устранить одно из самых больших препятствий на пути коммерциализации высокоэнергетической аккумуляторной химии.
Группа исследователей под руководством профессора Цзе Суня из Шэньсийского педагогического университета заявила, что разработанный материал, представляющий собой твердый раствор катализатора на основе нитрида титана и хрома, предназначен для улавливания и быстрого преобразования полисульфидов лития. Эти соединения широко рассматриваются как основная причина эффекта переноса, который сокращает срок службы батареи и снижает ее эффективность.
Исследователи заявили, что новая конструкция улучшила как долговременную стабильность, так и скорость реакции внутри батареи. Если ее удастся масштабировать, это достижение может способствовать будущему использованию литий-серных батарей в электромобилях, авиационных системах и крупномасштабных системах хранения энергии.
Литий-серные батареи привлекли внимание благодаря тому, что они обладают гораздо более высокой теоретической плотностью энергии, чем обычные литий-ионные элементы, при этом используя серу — более дешевый и широко доступный материал. Химический состав обеспечивает теоретическую удельную емкость 1675 мА·ч·г⁻¹ и плотность энергии до 2600 Вт·ч·кг⁻¹, что значительно выше, чем у литий-ионных батарей, и делает их перспективным кандидатом для систем хранения энергии следующего поколения.
Атомная настройка работает
Команда разработала гибкие мембраны CNF@TCN с использованием электропрядения и высокотемпературного нитридирования. Регулируя соотношение прекурсоров титана и хрома, они непрерывно изменяли электронную структуру катализатора на атомном уровне.
«Главное новшество в этом исследовании аккумуляторных материалов заключается в достижении нами «точной настройки» электронной структуры материала посредством непрерывной корректировки состава твердого раствора TixCr1-xN на атомном уровне».
Исследователи заявили, что материал представляет собой не простую смесь, а твердый раствор, разработанный для улучшения каталитических свойств. Нитриды переходных металлов были выбраны из-за их сильного химического взаимодействия с полисульфидами и способности облегчать перенос электронов, что имеет решающее значение для стабилизации литий-серных батарей.
Моделирование и эксперименты показали, что наилучшие результаты достигаются при атомном соотношении титана и хрома 1:2. В этом случае катализатор обеспечивал более сильную адсорбцию полисульфидов и более быструю передачу заряда, чем чистый TiN или CrN. Эта оптимизированная конфигурация позволила материалу сбалансировать химическое улавливание с эффективным электрохимическим преобразованием.
Такое сочетание улучшило как улавливание нежелательных промежуточных продуктов, так и их преобразование в процессе работы батареи, напрямую устраняя первопричины снижения емкости и плохой стабильности циклической работы.
Уверенные результаты цикла
В ходе эксплуатационных испытаний электрод CNFs@TCN-1/2 показал удельную емкость 801 мА·ч·г⁻¹ и сохранил 93% своей емкости после 600 циклов при 2 С. Заявленная скорость снижения емкости составила 0,012% за цикл.
Полученные данные свидетельствуют о том, что катализатор способен значительно подавлять эффект переноса и одновременно обеспечивать стабильную работу в течение длительного цикла, что является двумя основными проблемами для литий-серных батарей. Результаты также указывают на улучшенную кинетику реакции, которая необходима для поддержания эффективности при многократной зарядке и разрядке.
«Эта работа демонстрирует, что легирование на атомном уровне посредством создания твердых растворов является мощной стратегией регулирования каталитических свойств нитридов переходных металлов».
Команда заявила, что этот подход также может быть использован для разработки катализаторов для других технологий хранения и преобразования энергии, расширяя его применение за пределы литий-серных систем. В случае дальнейшего развития эта стратегия может способствовать созданию более долговечных и эффективных аккумуляторных батарей, подходящих для крупномасштабного внедрения экологически чистой энергии.
Результаты исследования были опубликованы в журнале Nano Research.
Sourse: interestingengineering.com
