Инженеры разработали батарею для электромобилей, которая заряжается всего за 12 минут
Команда исследователей из Кореи разработала революционную технологию, позволяющую значительно повысить скорость зарядки литий-серных батарей. Благодаря этому изобретению зарядка занимает всего 12 минут и держится долго. Прорыв может ускорить коммерциализацию батарей для электромобилей.
Инновации стали возможными благодаря усилиям исследовательской группы научно-технического университета (DGIST) под руководством профессора Джонг-Сунг Ю. Ученые создали пористый углеродный материал, легированный азотом, который позволил преодолеть ограничения по медленной зарядке литий-серных батарей.
Для экологически чистых технологий, таких как электромобили, используются литий-ионные батареи. Но их коммерческое использование осложняется ограниченной емкостью для хранения энергии и высокой стоимостью производства.
В отличие от них, литий-серные батареи предлагают более высокую плотность энергии. А сера в качестве основного материала более доступна. Однако коммерческая жизнеспособность этих батарей сдерживается неэффективным использованием серы во время быстрой зарядки, что приводит к снижению емкости.
Еще одной проблемой являются полисульфиды лития, образующиеся в процессе разряда. Эти соединения мигрируют внутри батареи, ухудшая ее характеристики. Чтобы решить эту проблему, исследователи разрабатывают батареи, встраивая серу в пористые углеродные структуры. Однако им еще предстоит достичь уровня производительности, пригодного для коммерциализации.
Команда профессора Ю синтезировала новый высокографитный многопористый углеродный материал, допированный азотом, и применила его в катоде литий-серной батареи. Эта технология успешно поддерживает высокую энергоемкость даже в условиях быстрой зарядки. Новый углеродный материал был синтезирован методом термического восстановления с использованием магния и ZIF-8.
ZIF-8 — это металлоорганический каркас (MOF), образующийся при координации ионов металлов и органических лигандов. Он характеризуется высокой термической и химической стабильностью, а также характерной пористой структурой.
При высоких температурах магний вступает в реакцию с азотом в ZIF-8, делая углеродную структуру более стабильной и прочной и создавая разнообразную пористую структуру. Она позволяет не только увеличить загрузку серы, но и улучшить контакт между серой и электролитом, что значительно повышает производительность батареи.
В литий-серной батарее, разработанной в данном исследовании, в качестве носителя серы использовался многофункциональный углеродный материал, синтезированный с помощью простого метода термического восстановления с применением магния. Даже в условиях быстрой зарядки с временем полного заряда всего 12 минут батарея достигла емкости, которая в 1,6 раза лучше, чем у обычных батарей.
Кроме того, легирование поверхности углерода азотом эффективно подавило миграцию полисульфида лития, что позволило батарее сохранить 82% емкости даже после 1 тыс. циклов заряда-разряда, продемонстрировав отличную стабильность.
В ходе исследования группа под руководством доктора Халила Амина из Аргоннской национальной лаборатории (Франция) провела расширенный микроскопический анализ. Он подтвердил, что сульфид лития был сформирован в определенной ориентации в слоистых структурах нового углеродного материала. Этот значит, что легирование азотом и пористая структура углерода способствуют загрузке серы, а графитовая природа углерода ускоряет реакции, тем самым повышая скорость зарядки.
Ранее международная группа исследователей создала инновационную разработку, которая способна улучшать работу лазеров, датчиков и коммуникационных технологий. Кристаллы времени могут найти применение в самых разных областях — от зондирования до передачи сообщений.
