Литий-серные (Li-S) аккумуляторы на смену литий-ионным
Не для кого не секрет, что сегодня литий-ионные источники питания заполонили весь мир. Но, не всё так просто с ними получается. Разработчики создают большое количество индивидуального электротранспорта оборудованного Li-ion батареями, только вот минералы и металлы из которых состоит литий-ионный аккумулятор — не бесконечны. Хочешь не хочешь, а альтернативы нужно искать в ускоренном темпе, ведь любая сказка рано или поздно заканчивается. Естественно, учёные работают над этим вопросом не покладая рук и результаты уже есть.
В этой теме я хочу обсудить новую разработку, которая со временем должна потеснить традиционный литий-ион. Речь пойдёт о литий-серных (Li-S) электронакопителях.
Мировой общественности они были представлены в 2004 году, а отвечала за данное мероприятие фирма Sion Power. Уже тогда Li-S обыгрывали своих литий-ионных собратьев по некоторым параметрам. Литий-серные электроаккумуляторы могут хранить в шесть раз больше энергии, чем Li-ion при таком же весе.
А вот ещё одно преимущество: объёмы серы на нашей Земле-Матушке не малые, она занимает шестнадцатое место по распространённости. А вот по сроку службы сера подкачала: производительность Li-S тает на глазах, из-за цикла набухания и сжатия, когда мощный электронакопитель подвергается зарядке-разрядке.
Совершенствовать данное оборудование взялась команда из Университета Монаш, которую возглавляет Махдохт Шайбани. Так вот, с описанной выше проблемой коллектив единомышленников справился таким образом: специалисты разработали «связующее» с сетью, которая оставляет много места для расширения аккумулятора в процессе заряда. Обычный связующий агент, но изготовленный иначе, формирует сверхпрочные связи между углеродной матрицей и частицами серы.
Проведённые тесты весьма порадовали учёных. Поле двух сотен циклов зарядки-разрядки, источник питания сохранял эффективность заряда-разряда на уровне 99%. Профессора также сделали акцент на том, что это лучший результат на сегодняшний день для таких ёмких электродов.
Литий-серные накопитель новой генерации могут выдержать около 1500 процедур перезарядки без значительной утраты ёмкости. Большинство же литий-ионных АКБ теряют до 20% ёмкости уже при 600 циклах. Такой Li-S аккумулятор обслуживающий смартфон, мог бы держать заряд в течение пяти дней, а электрокар с таким источником энергии мог бы преодолеть более 1000 километров.
До сих пор литий-серные накопители были не практичными — их химия сыграла с ними злую шутку. Дело в том, что она даёт возможность таким устройствам накапливать столько энергии, что батарейка просто начинает физически разламываться под таким напряжением. Однако несмотря на это, уже сейчас создан новый дизайн для этих девайсов, позволяющий заряжаться и разряжаться сотни раз без последствий для АКБ.
В производстве такая система не сложная и не дорогостоящая. Ребята скажем так целеустремлённые, поэтому взяли курс на создание коммерческого продукта в ближайшее время. Конечно, никто не может на 100% предугадать результат, однако эксперименты говорят о том, что у коллектива дело должно выгореть.
Проблемы литий-ионных аккумуляторов
Без сомнений, Li-ion электронакопители в значительной степени поменяли окружающий нас мир. Они позволяют хранить большое количество энергии в перезаряжаемом, портативном формате. Без таких технологий, среднестатистический юзер не имел бы возможности полноценно пользоваться смартфонами и другими персональными электронными изделиями. Пионеры литий-ионной технологии в 2019 году удостоились Нобелевской премии по химии, что только подтвердило их выдающийся успех.
Однако проблема Li-ion в том, что по мере постепенного отхождения общества от ископаемого топлива, будут нужны новые технические решения для хранения энергии, для поддержки производства возобновляемой электроэнергии, для электрифицированных автомобилей, а также других потребностей.
Литий-ионные электронакопители нуждаются в наличии минералов, таких как редкоземельные металлы, никель и кобальт. Именно из них изготавливаются плюсовые электроды Li-ion батарей. Этих материалов на рынке не так уж и много, как это может показаться некоторым несведущим гражданам. На данные, относительно дорогие материалы цены растут постоянно, а их добыча часто сопряжена со значительными экологическими и социальными издержками.
Отраслевые инсайдеры утверждали, что серьёзную нехватку главных материалов можно будет наблюдать уже в ближайшем будущем. Возможно, это случится в 2022 году — сами понимаете, ждать осталось недолго!
Ситуация с серой
Она довольно распространена в природе, стоит не дорого, а энергии при этом может сохранять гораздо больше. Если говорить более конкретно, то сера является шестнадцатым элементом среди самых распространённых на нашей планете. Ежегодно, шахтёры добывают примерно 70 млн тонн этого вещества. Такие объёмы добычи делают серу идеальным ингредиентом для источников питания, если целью является максимальное их распространение.
Кроме того, Li-S имеют другую разновидность химической реакции, а это даёт то, что способность накапливать энергию у таких аккумуляторов намного больше, чем у Li-ion. В Li-S АКБ энергия сохраняется, когда положительно заряженные ионы лития поглощаются электродом, изготовленным из частиц серы в углеродной матрице, удерживаемой вместе с полимерным связующим. Солидная ёмкость запоминающего устройства означает, что электрод будет распухать до почти двойного своего размера, когда заряжен на сто процентов.
Цикл набухания и уменьшения по мере заряда и разряда аккумуляторной батареи, приводит к прогрессирующей потере сцепления частиц и постоянному искажению углеродной матрицы и полимерного связующего. Сама углеродная масса является очень важной составляющей источника энергии. Она доставляет электроны к изолирующей сере, а полимер в свою очередь, отвечает за склеивание углерода и серы. Если они искажены, пути для электронов, чтобы иметь возможность двигаться через электрод, разрушаются и производительность АКБ начинает падать в ускоренном режиме.
КТ-сканирование одного из серных электродов демонстрирует открытую структуру, позволяющую частицам расширяться по мере их зарядки.
Традиционный способ производства аккумуляторных батарей, образует непрерывную плотную сеть связующего вещества поперёк основной массы электрода. Она не оставляет значительного свободного пространства для движения. Такой способ пригоден для Li-ion батареек, а вот для серы пришлось специально разрабатывать новый метод.
Чтобы достичь максимальной простоты устройства и удешевления, нужно использовать в качестве связующего тот же материал, только обрабатывать иначе. Итогом будет являться паутинная сеть связующего, удерживающая частицы вместе, но также оставляющая большой объём места для расширения материала.
Такие устойчивые к расширению электроды могут эффективно приспосабливаться к циклическим напряжениям, давая возможность частицам серы жить до полной ёмкости накопления энергии.
Заключение
Ясное дело, технический прогресс на месте стоять не будет и это не просто прихоть маркетологов — это вынужденная мера, которая неизбежна. Все ресурсы, какими бы значительными они не были, рано или поздно заканчиваются, поэтому нужно искать выход из сложившейся ситуации. Разработчики стараются изо всех сил, но иногда их потуги заканчиваются неудачами. Среднестатистическим пользователям остаётся только надеяться на то, что сера в будущем станет одним из лучших решений и достойно заменит традиционный литий-ион.
Почти способен синтезировать обратный захват серотонина.
