Катоды на аснове крэмнія стабілізуюць Li-S элементы. Эфект: больш за 2 цыклаў зарадкі замест некалькіх дзясяткаў

Навукоўцы з Інстытута навукі і тэхналогій Тэгу (DGIST, Паўднёвая Карэя) распрацавалі катод на аснове крэмнія, які, як чакаецца, вытрымае больш за 2 цыклаў зарадкі ў Li-S элементах. У класічных літый-іённых элементах у анодах выкарыстоўваецца чысты крэмній, які дапаўняе і паступова замяняе графіт. Тут выкарыстоўваўся аксід крэмнію, у катодзе - дыяксід крэмнію.

Ячэйка Li-S = літыевы анод, катод з дыяксіду крэмнія з шэрай

Li-S элементы лічацца цікавымі з-за іх высокай удзельнай энергіі, вагі і нізкай кошту вытворчасці. Аднак пакуль нікому не ўдалося стварыць такую версію, якая вытрымала б больш за некалькі дзесяткаў цыклаў зарадкі. Усё з-за полісульфідаў літыя (LiPS), якія раствараюцца ў электраліце падчас разраду і ўступаюць у рэакцыю з анодам, зніжаючы яго ёмістасць і, як следства, руйнуючы акумулятар.

Не выключана, што паўднёвакарэйскія даследнікі знайшлі рашэнне праблемы. Замест матэрыялаў на аснове вугляроду (напрыклад, графіту) яны выкарыстоўвалі ў катодзе. пласціністая структура мезапорыстых крэменязёму (ПАМС).

Пласціністая структура зразумелая, у той час як мезапорысты азначае скупнасць пор (паражнін) у кремнеземе, якія маюць запланаваны памер, павярхоўную шчыльнасць і невялікую дысперсію памеру (крыніца). Гэта крыху падобна на тое, як калі б вы рэгулярна пратыкалі размешчаныя побач адзін з адным пласціны нейкага сілікату, каб атрымалася сіта.

Навукоўцы DGIST выкарыстоўвалі гэтыя адтуліны для аблогі ў іх серы (малюнак а). Падчас разраду сера раствараецца і ўтварае полісульфіды літыя (LiPS) з літыем. Такім чынам, зарад цячэ, але LiPS застаецца захопленым каля катода з-за дадатковага нявызначанага вугляроднага фактару (чорная структура, малюнак b).

Падчас зарадкі LiPS вылучае літый, які вяртаецца на літыевы анод. З іншага боку, сера пераходзіць у крэменязём. Няма уцечкі LiPS на анод, няма пашкоджанняў металу.

Створаны такім чынам акумулятар Li-S захоўвае высокую ёмістасць і стабільнасць на працягу больш за 2 працоўных цыклаў. Стандартным для класічных Li-ion элементаў лічыцца не меней 500-700 цыклаў працы, хаця варта дадаць, што добра апрацаваныя літый-іённыя элементы вытрымліваюць некалькі тысяч цыклаў.