Мичиганский университет использует переработанное кевларовое волокно для решения проблем с жизненным циклом литий-серных батарей

Группа химических наук и инженерии Мичиганского университета под руководством профессора Николаса Котова разработала «новую аккумуляторную мембрану, вдохновленную биологией» с переработанными кевларовыми волокнами, которая может в пять раз увеличить запас хода электромобиля и иметь срок службы 1000 циклов.

Исследовательский центр в Анн-Арборе, штат Мичиган, является одним из лучших в мире, и Котов, чьи исследования сосредоточены на разработке биомиметических нанокомпозитов, самосборке наночастиц и хиральных наноструктурах, работал над тем, чтобы изменить представление о литий-сере. клетки. «Есть ряд отчетов, заявляющих о нескольких сотнях циклов для литий-серных аккумуляторов, но это достигается за счет других параметров — емкости, скорости зарядки, отказоустойчивости и безопасности», — сказал Котов в пресс-релизе университета. «Сегодня задача состоит в том, чтобы создать аккумулятор, который увеличивает частоту циклов с прежних 10 циклов до сотен циклов и удовлетворяет множеству других требований, включая стоимость».

Литий-серные батареи могут обеспечить в пять раз большую емкость, чем стандартные литий-ионные элементы, которые используются в электромобилях. Однако, как упомянул в своей цитате профессор Котов, продолжительность жизни значительно сокращается из-за химических реакций между молекулами. Наиболее распространенной причиной сокращения жизненного цикла литий-серных батарей являются дендриты, которые представляют собой придатки, предназначенные для приема сообщений от других ячеек. Они могут пробить мембрану элементов, сокращая срок службы и, следовательно, жизненный цикл элемента батареи.

Другая проблема заключается в том, что полисульфиды, или небольшие молекулы лития и серы, могут образовываться и течь к литию. Они связываются и вызывают блокировки, снижая эффективность мембраны. «Мембрана необходима, чтобы позволить ионам лития течь от лития к сере и обратно, а также блокировать частицы лития и серы, известные как полисульфиды лития».

Однако кевлар, тот же материал, который используется в пуленепробиваемых жилетах, может предотвратить проникновение дендритов через мембрану с помощью плотных арамидных волокон, содержащихся в этом материале. В элементах, разработанных Котовым и его командой, используются переработанные волокна кевлара. Кевлар «может позволить литий-серным батареям преодолеть свою ахиллесову пяту срока службы», вызванную двумя ранее упомянутыми реакциями между молекулами.

Пример кевларовой системы показан на изображениях ниже, так как типичная мембрана Celgard слева позволяет протекать полисульфидам лития. Кевларовая мембрана (справа) блокировала проникновение полисульфидов.

«Всего через полчаса мембрана Celgard (слева) пропускает полисульфиды лития. Однако мембрана UM (справа) полностью блокирует полисульфиды лития через 96 часов. Изображение предоставлено: Ахмет Эмре, Kotov Lab». Предоставлено: Мичиганский университет.

«Достижение рекордных уровней для нескольких параметров для различных свойств материалов — это то, что сейчас необходимо для автомобильных аккумуляторов», — заявил Котов. Котов добавил, что конструкция литий-серных батарей «почти идеальна» из-за того, что их емкость и эффективность достигают теоретических пределов. Он также может вести себя более устойчиво, чем литий-ионные элементы, в теплом и холодном климате, что влияет на запас хода и эффективность. Однако быстрая зарядка может сократить срок службы, добавил Котов.

Литий-серные батареи могут быть хорошей альтернативой, поскольку сера более доступна и распространена, чем кобальт, что вызывает споры из-за методов добычи. Тем не менее, автопроизводители, такие как Tesla, сокращают содержание кобальта в своих батареях, соревнуясь вместо этого с другими металлами, такими как никель. Небольшой срок службы и нестабильность серы, поскольку она изменяется в размере на 78 процентов во время зарядки, уменьшали возможность использования ее автопроизводителями в прошлом, сообщает The Independent.

Исследование финансировалось Национальным научным фондом и Министерством обороны.

Я хотел бы услышать от вас! Если у вас есть какие-либо комментарии, проблемы или вопросы, пожалуйста, напишите мне по адресу []. Вы также можете связаться со мной в Twitter @КлендерДжоуи, или если у вас есть советы по новостям, вы можете написать нам по адресу [].

Мичиганский университет использует переработанное кевларовое волокно для решения проблем с жизненным циклом литий-серных батарей