Катоды на основе кремния стабилизируют Li-S элементы. Эффект: более 2 циклов зарядки вместо нескольких десятков

Ученые из Института науки и технологий Тэгу (DGIST, Южная Корея) разработали катод на основе кремния, который, как ожидается, выдержит более 2 циклов зарядки в Li-S элементах. В классических литий-ионных элементах в анодах используется чистый кремний, который дополняет и постепенно заменяет графит. Здесь использовался оксид кремния, в катоде – диоксид кремния.

Ячейка Li-S = литиевый анод, катод из диоксида кремния с серой

Li-S элементы считаются интересными из-за их высокой удельной энергии, веса и низкой стоимости производства. Однако пока никому не удалось создать такую версию, которая выдержала бы более нескольких десятков циклов зарядки. Все из-за полисульфидов лития (LiPS), которые растворяются в электролите во время разряда и вступают в реакцию с анодом, снижая его емкость и, как следствие, разрушая аккумулятор.

Не исключено, что южнокорейские исследователи нашли решение проблемы. Вместо материалов на основе углерода (например, графита) они использовали в катоде. пластинчатая структура мезопористого кремнезема (ПОМС).

Пластинчатая структура понятна, в то время как мезопористость означает скопление пор (полостей) в кремнеземе, которые имеют запланированный размер, поверхностную плотность и небольшую дисперсию размера (источник). Это немного похоже на то, как если бы вы регулярно протыкали расположенные рядом друг с другом пластины какого-то силиката, чтобы получилось сито.

Ученые DGIST использовали эти отверстия для осаждения в них серы (рисунок а). Во время разряда сера растворяется и образует полисульфиды лития (LiPS) с литием. Таким образом, заряд течет, но LiPS остается захваченным возле катода из-за дополнительного неопределенного углеродного фактора (черная структура, рисунок b).

Во время зарядки LiPS выделяет литий, который возвращается на литиевый анод. С другой стороны, сера переходит в кремнезем. Нет утечки LiPS на анод, нет повреждений металла.

Созданный таким образом аккумулятор Li-S сохраняет высокую емкость и стабильность в течение более 2 рабочих циклов. Стандартным для классических Li-ion элементов считается не менее 500-700 циклов работы, хотя стоит добавить, что хорошо обработанные литий-ионные элементы выдерживают несколько тысяч циклов.