Учёные из Китая совершили важный шаг на пути к практическому применению высокоэнергетических аккумуляторов: им удалось создать новый катализатор, благодаря которому литий‑серная батарея сохраняет 93 % ёмкости после 600 циклов зарядки и разрядки. Это достижение способно устранить одно из ключевых препятствий на пути коммерциализации подобных накопителей энергии.
Суть разработки
Исследовательская группа под руководством профессора Цзе Суня из Шэньсийского педагогического университета разработала катализатор на основе твёрдого раствора нитрида титана и хрома. Его основная задача — улавливать и оперативно преобразовывать полисульфиды лития. Именно эти соединения провоцируют так называемый эффект «челнока», из‑за которого аккумуляторы теряют эффективность и быстрее выходят из строя.
Новая конструкция позволила заметно улучшить два ключевых параметра:
- долговременную стабильность работы аккумулятора;
- скорость протекания реакций внутри элемента питания.
При успешной масштабировке технологии литий‑серные батареи смогут найти применение в:
- электромобилях;
- авиационных системах;
- крупномасштабных накопителях энергии.
Преимущества литий‑серных аккумуляторов
Такие накопители энергии привлекают внимание специалистов благодаря двум важным характеристикам:
- значительно более высокой теоретической удельной энергоёмкости по сравнению с традиционными литий‑ионными аккумуляторами;
- использованию серы — доступного и недорогого материала.
Количественные показатели выглядят следующим образом:
- теоретическая удельная ёмкость — 1675 мАч/г;
- удельная энергоёмкость — до 2600 Вт·ч/кг.
Эти параметры существенно превосходят характеристики литий‑ионных аналогов, что делает литий‑серные аккумуляторы перспективным решением для систем хранения энергии нового поколения.
Технология создания катализатора
Команда учёных применила комбинацию двух методов:
- электроформования;
- высокотемпературного нитридирования.
В результате были получены гибкие мембраны CNFs@TCN. Ключевой момент технологии — возможность регулировать соотношение прекурсоров титана и хрома, что позволяет точно настраивать электронную структуру катализатора на атомном уровне.
Как отмечают исследователи, главное достижение состоит в «точной настройке» электронной структуры материала за счёт непрерывной корректировки состава твёрдого раствора TixCr1‑xN.
Почему выбраны нитриды переходных металлов? Они обладают двумя важными свойствами:
- сильным химическим взаимодействием с полисульфидами;
- способностью облегчать перенос электронов — это критически важно для стабилизации работы литий‑серных аккумуляторов.
Оптимальная конфигурация
Моделирование и экспериментальные испытания показали, что наилучшие результаты достигаются при атомном соотношении титана и хрома 1 : 2. В такой конфигурации катализатор:
- обеспечивает более сильную адсорбцию полисульфидов по сравнению с чистым нитридом титана или нитридом хрома;
- ускоряет передачу заряда;
- сочетает химическую адсорбцию с эффективной электрохимической конверсией.
Благодаря этому удаётся:
- эффективнее улавливать нежелательные промежуточные продукты реакции;
- оперативно преобразовывать их в процессе работы аккумулятора;
- устранять основные причины снижения ёмкости и нестабильности циклов зарядки.
Результаты испытаний
Практические тесты подтвердили высокую эффективность разработки. Электрод CNFs@TCN‑1/2 продемонстрировал следующие показатели:
- удельная ёмкость — 801 мАч/г;
- сохранение 93 % ёмкости после 600 циклов при токе 2 С;
- скорость снижения ёмкости — всего 0,012 % за цикл.
Полученные данные свидетельствуют, что катализатор успешно подавляет эффект «челнока» и обеспечивает стабильную работу аккумулятора в течение длительного времени. Кроме того, отмечено улучшение кинетики реакции — это критически важно для поддержания эффективности при многократной зарядке и разрядке.
Перспективы применения
По мнению учёных, использованный подход — легирование на атомном уровне путём создания твёрдых растворов — может стать эффективной стратегией для регулирования каталитических свойств нитридов переходных металлов.
Более того, методика не ограничивается применением только в литий‑серных системах. Её можно адаптировать для разработки катализаторов в других технологиях хранения и преобразования энергии. Дальнейшая доработка этой стратегии откроет путь к созданию более долговечных и эффективных аккумуляторных батарей, которые сыграют важную роль в масштабном внедрении экологически чистых энергетических решений.