Бъдещето на електромобилите: Литиево-серни батерии, които се самовъзстановяват
Елементите са издържали над 1500 цикъла с минимални загуби.
Учени от Центъра „ Хелмхолц “ в Берлин и Техническия университет в Берлин са основали нов материал, който може доста да усъвършенства работата на литиево-серните акумулатори. Той се основава на шуплест полимер от специфичен вид – радикална катионна ковалентна органична рамка (COF).
COF е нов тип бистър органически полимер. Основните му свойства са висока пористост, дарба за смяна на структурата според от задачата, ниска компактност и химическа резистентност. Тези характерности вършат материала подобаващ за технологиите за акумулатори, при които стабилността и дълготрайността са от решаващо значение. При тестванията новият COF е постигнал повече от 1500 цикъла на батерията с извънредно ниска загуба на потенциал от към 0,027% на цикъл. Това е над типичната граница от 1000 цикъла за Li-S кафези.
Основният проблем при Li-S батериите е образуването на полисулфиди по време на зареждане и разреждане. Тези съединения се разтварят, мигрират в клетката и фрапантно утежняват продуктивността, което води до бързо разграждане. Новият COF взема решение този проблем: неговата пореста конструкция освен задържа полисулфидите, само че и ги трансформира назад в дейна сяра.
Тайната се състои в това, че в структурата са вградени радикали – молекули с несдвоени електрони, които се държат като дребни катализатори. В този случай са употребявани радикали въз основата на органосеровото съединяване тетратиафулвален (TTF). Полученият материал е наименуван R-TTF-+-COF. В него тетратиафулваленните връзки ([TTF]2-+) и радикалните трисулфидни аниони (S3–) са свързани посредством бензотиазолови групи. Тази композиция усилва проводимостта и катализира полисулфидното преобразяване.
Изследователите в детайли са проучили действието на механизма на материала. За задачата те са приложили методите на ЯМР спектроскопия в твърда фаза, електронен парамагнитен резонанс и теоретични калкулации. Оказва се, че радикалните центрове [TTF]2-+ свързват литий-съдържащите полисулфиди (LiPS), форсират удължаването и разкъсването на серните връзки, като по този метод ги възвръщат до форма, подобаваща за по-нататъшната работа на батерията.
Експериментите демонстрират впечатляваща непоклатимост: батериите с новия катализатор устоят повече от 1500 цикъла с минимална загуба на потенциал. Това е най-хубавият резултат за органични материали от този клас.
Според създателите консолидираното на тези радиални структури в литиево-серните акумулатори открива огромни вероятности. С тяхна помощ е допустимо освен да се удължи животът на батериите, само че и да се усили потенциалът им, което е значимо за превоза на бъдещето – от електрическите автомобили до електрическите самолети. В бъдеще екипът има намерение да модифицира структурата на радикалите, с цел да усъвършенства още повече успеваемостта им. Това изобретение има капацитета да реши един от главните проблеми на литиево-серните акумулатори и да обезпечи по-дълъг живот на електрическите коли и други устройства.
