Литий-серные батареи достигли рекордной живучести

В Лоуренсовской национальной лаборатории в Беркли (США) продемонстрирован образец литий-серной батареи с ёмкостью, вдвое превышающей показатель обычного литий-ионного аккумулятора и при этом способной пережить 1 500 циклов зарядки-разрядки с умеренной потерей своих качеств. Говоря проще, это самая живучая батарея изо всех когда-либо созданных.

Сегодня литий-ионные батареи с их 200 Вт•ч/кг достигли некоего равновесия: этого уже достаточно, чтобы дорогие электромобили а-ля Tesla Model S прогуливались по 400–500 км, но ещё мало, чтобы их аналоги «дешевле $100 тыс.» радовали нас чем-то подобным.

То есть пока теснить обычных производителей у «электроников» получается только в премиальном сегменте. Скажем, в Калифорнии они побили по продажам уже с десяток дорогих автобрендов. Но есть ясное понимание: пока ёмкость не дойдёт хотя бы до 350–400 Вт•ч/кг, ничего не изменится, электроавто так и останутся яппи-уделом. Более того, просто «нагнать ёмкости» будет мало — литий-воздушные батареи добились и не такого, да только для начала разговора с автоиндустрией нужна ещё живучесть, и здесь даже тысяча циклов не повод для самоуспокоения. Что вы сказали бы про авто с дальностью 500 км и потолком в 500 циклов зарядки-разрядки? «Не хотите менять батареи (ценой с обычную бюджетную машинку) чаще самого электромобиля»? А это вероятно: формальное перемножение километров пробега на циклы здесь мало помогает, ведь рекуперативное торможение и неполная зарядка-разрядка плюс зима могут укоротить общий пробег до замены аккумуляторов на 20% от расчётного.

Да, и это не упоминая того, что нынешние литиевые батареи всё равно получаются тяжёлыми, и даже у Tesla электромобиль приличной дальности весит за две тонны (и то за счёт недешёвого и энергоёмкого в производстве алюминия)... Опять же, две тонны — это гарантия высокого расхода на километр: 20 кВт•ч на 100 км пробега считается лучшей экономичностью для дальних электроавто. Само собой, их собратья с более компактными батареями (на 160 км) тратят меньше — обычно около 12–14 кВт•ч на сотню. Будь аккумуляторная ёмкость электрических легковых «дальнобоев» вдвое выше, их энергопотребление тоже могло занимательно сократиться, снижая требования к той же ёмкости (да, спираль экономичности).

Так вот, группа Элтона Кэйрнса (Elton Cairns) из Национальной лаборатории Лоуренса обратила внимание именно на литий-серную альтернативу, и причин тому много. «КЛ» не раз подчёркивала: лития, добываемого по сегодняшним технологиям, мало; он, например, щедрее всего рассыпан в такой стране с образцово-стабильной и эффективной экономикой, как Афганистан. Массовая электромиграция способна короновать литий как Новую Нефть (со всеми вытекающими военными последствиями), а ведь мирэкономика ещё от углеводородных войн толком не отдохнула. Сера, частично заменяющая лёгкий металл, резко снизит остроту проблемы в будущем, вот только расширение и сжатие материалов батареи при работе ведёт к тому, что серные частицы со временем изолируются от электродов, прекращая отдавать им запасённую энергию. 

Именно поэтому г-н Кэйрнс и компания применили бутадиен-стирольные каучуки (точнее — связующее на их основе) для придания эластичности материалу катода литий-серной батареи. Кроме того, в ход пошёл и новый состав поверхностно-активного вещества, а также внедрён новый электролит на основе ионной жидкости, в которой не растворяются полисульфиды (как это бывало в литий-серных батареях, со временем терявших свой функционал). Важно и то, что ионная жидкость не горит и почти не испаряется, а именно электролит часто становится головной болью по имени «безопасность» у самых-самых аккумуляторов.

Что в итоге? Создана батарея с начальной ёмкостью, превышающей 500 Вт•ч/кг, то есть такая, которая обеспечит дальность лучшей модификации Tesla Model S при массе всего в 160 кг! Определённо, такое электроавто наконец-то серьёзно сбросит вес, сохранив 400–500 км разового пробега, а также снизит энергозатраты (за счёт меньшего веса).

Со временем ёмкость экспериментальной литий-серной батареи, разумеется, снижалась, но и через 1 500 циклов превышала 300 Вт•кг. Даже с таким показателем 200-килограммовой батареи с лихвой хватит для 500-километрового электроудара по бездорожью. Да и, строго говоря, доездиться до 1 500-й заправки сможет не каждый автовладелец: у обычного человека на это уйдут десятки лет.

Как со стоимостью? Сера не только безопаснее, но и дешевле лития, а также широко-повсеместно распространена. Оттого разработчики в поте лица ищут промышленных партнёров, заинтересованных в доводке и коммерциализации их детища. Хотя трудов в этой части истории предстоит ещё ого-го, желающие непременно найдутся.

Подготовлено по материалам Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли.

Источник: Лента.ру