DigitalArtSpace

Команда южнокорейских ученых разработала подход к созданию катодных материалов для литий-серных аккумуляторов, который способен ускорить появление более ёмких и надежных батарей для электромобилей, систем накопления энергии и портативной электроники. В рамках этой стратегии исследователи предложили dual-level engineering-концепцию, объединяющую макро- и микроуровневое проектирование металлоорганических каркасных структур (MOF) для получения иерархических пористых углеродных нановолокон с внедренными одиночными атомами кобальта в низкокоординированной структуре Co–N3.

Литий-серные батареи обладают потенциалом значительно превзойти обычные литий-ионные аккумуляторы благодаря более высокой удельной ёмкости и энергетической плотности. Однако их внедрение в практику сдерживается рядом существенных трудностей. Среди них – «шаттл-эффект», связанный с растворением литиевых полисульфидов, что ведёт к потере активного материала, замедленные окислительно-восстановительные процессы и снижение ёмкости в ходе циклов заряда-разряда. По словам Сын-Кюна Пака (Seung-Keun Park) из отдела разработки инновационных материалов, исследователи длительное время работали над объединением оптимизации структуры углеродных матриц с точным управлением каталитическими центрами на атомном уровне.

Исследователи отмечают, что стабилизированные в углеродной матрице одиночные атомы металла, формирующие металл–N-координационные узлы, являются перспективным методом для литий-серных аккумуляторов. Эти центры способны ускорять химическую реакцию и снижать растворение полисульфидов. Для реализации всего потенциала необходимо одновременно совершенствовать структуру углеродного материала и точно регулировать окружение каталитических центров.

Иерархическое строение пористого материала способствует более высокой ионной проводимости и лучшей смачиваемости электролитом, обеспечивая при этом эффективную миграцию активных веществ внутри электрода. Наряду с этим, атомарно распределённые центры кобальта в N3-структуре усиливают адсорбцию литиевых полисульфидов и ускоряют их химические превращения, что уменьшает выраженность шаттл-эффекта и повышает стабильность катода. Согласно результатам, представленным авторами, такое сочетание структуры и химически активных центров обеспечивает высокую сохраняемость ёмкости и улучшенные скоростные показатели на протяжении сотен циклов заряда и разряда.

Значительным практическим преимуществом нового материала является его автономная и гибкая структура: нановолокнистый слой не нуждается в полимерных связующих и металлических токосъемников, может функционировать как независимый компонент ячейки и интегрироваться, к примеру, в пакетные элементы. Как отметил доктор Нам, материал показал сохранение механической прочности при деформации и способность обеспечивать питание небольших устройств, что свидетельствует о перспективности концепции для внедрения в реальные аккумуляторные модули.

Технология разработана, в первую очередь, для использования в литий-серных аккумуляторах с высокой энергоёмкостью. Эти аккумуляторы способны увеличить запас хода электромобилей без существенного увеличения массы батарей, а также эффективно накапливать энергию для стабилизации выработки электроэнергии солнечными и ветровыми электростанциями. Кроме того, благодаря гибкости и легкости материалов, они представляют интерес для портативных и носимых электронных устройств, где важны компактные размеры и устойчивость к деформациям.

Авторы акцентируют внимание на том, что разработанная dual-level engineering-стратегия – это не единичный эксперимент, а воспроизводимая методика «обдуманного» проектирования материалов. Она включает в себя выбор пористой структуры углерода и атомарную настройку каталитических центров. По мнению авторов, дальнейшее совершенствование подобных решений может улучшить безопасность и эффективность аккумуляторов, сократить зависимость от определенных ключевых материалов, снизить затраты на хранение энергии и сделать экологически чистые технологии более доступными.

Похожие статьи

Новый алгоритм Дарвина-Гёделя учит искусственный интеллект самостоятельно программировать.

В США производят эффективные процессоры: тайванские чипы TSMC возвращаются на родину для завершения производства.

В продаже — новая Lada Granta с увеличенным дорожным просветом

Новые модели Kia могут появиться на российском рынке.

Недорогой аналог Toyota Camry с пробегом более 2000 км завоевал популярность

Рамный внедорожник BAW 212 T01 с мощным двигателем: «Китайский УАЗ» с комфортом.