Ожидается, что литий-серные источники питания могут запасать в четыре-пять раза больший объем энергии, чем существующие в настоящее время литий-ионные аккумуляторы, однако на пути к их коммерциализации имеется целый ряд помех, которые надо устранить.

Новая работа показывает, что для создания легких и дорогих источников питания, запасающих большое количество энергии, можно использовать серосодержащие полимеры.

Низкая практичность литий-серных источников питания связана с их низкой долговечностью. Как отмечает Джеффри Пюн (Jeffrey Pyun) из Университета Аризоны, литий-ионные аккумуляторы могут выдержать до 1000 циклов разрядка/зарядка, а литий-серные с трудом набирают даже сотню таких циклов. Катоды литий-серных аккумуляторов, изготовленные из элементной серы, реагируют с ионами лития, содержащимися в электролите, в результате чего через некоторое время электроды оказываются покрытыми слоем сульфида лития. Помимо затруднения доступа к электродам, это приводит к уменьшению количества серы в катоде, что понижает емкость аккумулятора, а также ведет к необратимым структурным изменениям электродов.

Пюн отмечает, что уже было предпринято несколько попыток увеличить срок службы литий-серных источников питания за счет инкапсуляции серы в наноматериале, что затрудняет ее диссоциацию из катода, однако такой катодный материал все равно нельзя назвать практичным из-за его высокой стоимости. Сам Пюн предположил, что проблему можно решить, используя электроды из серосодержащих полимеров, которые должны отличаться сравнительно невысокой стоимостью для крупномасштабного производства. Сырье для получения таких полимеров также достаточно доступно – ежегодно в ходе переработки нефтяного сырья производится около 60 миллионов тонн элементной серы, большая часть из которой не находит практического применения.

В прошлом году группа Пюна сообщала о способе трансформации элементной серы в недорогой материал для изготовления катода. Нагрев серы до 185°C с последующим добавлением 1,3-диизопропилбензола позволяет получить полимер, содержащий цепочки из атомов серы и остатки диизопропилбензола. Органическая часть этого полимера не запасает энергию и не принимает участие в процессах, протекающих в аккумуляторе, а работает как пластификатор, увеличивающий срок службы катода.

В новом исследовании ученые решили найти наилучший материал для изготовления катода и протестировать его в источниках питания. В плоских круглых аккумуляторах (такие источники питания не только используются для того, чтобы гонять стрелки по циферблату наручных часов, но и для стандартных испытаний электродных материалов) было испытано 2032 сополимеров, различающихся содержанием серы.

Было обнаружено, что наилучшими свойствами обладает полимер, содержащий 90% серы по массе. Источники питания, в которых использовался этот сополимер, отличались емкостью 1225 микроамперчас на грамм аккумулятора, через 100 циклов разрядка/зарядка емкость падала до значения 1005 микроамперчас/г, а через 500 циклов зарядка/разрядка – до 635 микроампер/г. Несмотря на почти двукратное падение емкости литий-серных аккумуляторов, следует отметить, что емкость обычного литий-ионного аккумулятора составляет 200 микроамперчас/г, хотя он и сохраняет такую емкость в течение 1000 циклов зарядка-разрядка.

Несмотря на существенные шаги в направлении создания практически используемого источника питания, новые материалы, хотя и гораздо лучше прежних электродных материалов для литий-серных батарей, все же пока не могут обеспечить коммерциализацию и практическое использование аккумуляторов нового типа. Для применения на практике литий-серные источники питания должны выйти на рубеж устойчивой работы в течение минимум тысячи циклов зарядка/разрядка. Для достижения такой устойчивости Пюн с коллегами продолжает эксперименты с другими серосодержащими полимерами, обладающими свойствами, сходными с уже испытанными.