Исследовательская группа под руководством профессора Джонг-Сунг Ю из DGIST факультета энергетических наук и инженерии разработала инновационную технологию, позволяющую значительно повысить скорость зарядки литий-серных батарей. Команда использовала новый пористый углеродный материал, легированный азотом, чтобы решить проблему низкой скорости зарядки, которая препятствовала коммерциализации существующих литий-серных батарей.
С одной стороны, литий-ионные батареи незаменимы для экологически чистых технологий, таких как электромобили. Однако их возможности ограничены низкой емкостью хранения энергии и высокой стоимостью. С другой стороны, литий-серные батареи привлекают внимание как батареи нового поколения благодаря высокой плотности энергии и низкой стоимости серы как материала. Несмотря на эти преимущества, коммерциализация была затруднена из-за недостаточного использования серы во время быстрой зарядки, что снижает емкость батареи.
Другой проблемой являются полисульфиды лития, образующиеся в процессе разряда. Эти соединения мигрируют внутри батареи, ухудшая ее характеристики. Чтобы решить эту проблему, исследователи разрабатывают батареи, встраивая серу в пористые углеродные структуры. Однако им еще предстоит достичь уровня производительности, пригодного для коммерческого использования.
Чтобы решить эти проблемы, команда профессора Ю синтезировала новый высокографитный многопористый углеродный материал, легированный азотом, и применила его в катоде литий-серной батареи. Эта технология успешно поддерживает высокую энергоемкость даже в условиях быстрой зарядки.
Новый углеродный материал был синтезирован методом термического восстановления, в котором участвуют магний и ZIF-8, металлоорганический каркас. При высоких температурах магний вступает в реакцию с азотом в ZIF-8, делая углеродную структуру более стабильной и прочной, а также создавая разнообразную структуру пор. Такая структура позволяет не только увеличить загрузку серы, но и улучшить контакт между серой и электролитом, что значительно повышает производительность батареи.
В литий-серной батарее, разработанной в данном исследовании, в качестве носителя серы использовался многофункциональный углеродный материал, синтезированный с помощью простого метода термического восстановления с использованием магния. Даже в условиях быстрой зарядки с временем полного заряда всего 12 минут батарея достигла высокой емкости 705 мАч г⁻¹, что в 1,6 раза лучше, чем у обычных батарей.
Кроме того, легирование поверхности углерода азотом эффективно подавило миграцию полисульфида лития, что позволило батарее сохранить 82 % емкости даже после 1000 циклов заряда-разряда, продемонстрировав отличную стабильность.
В ходе исследования совместная группа под руководством доктора Халила Амина из Аргоннской национальной лаборатории провела расширенный микроскопический анализ. Эти анализы подтвердили, что сульфид лития (Li₂S) был сформирован в определенной ориентации в слоистых структурах нового углеродного материала. Этот вывод подтвердил, что легирование азотом и пористая структура углерода способствуют увеличению загрузки серы, а графитовая природа углерода ускоряет реакции с серой, тем самым повышая скорость зарядки.
Профессор Джонг-Сунг Ю отметил: «Это исследование было направлено на повышение скорости зарядки литий-серных батарей с помощью простого метода синтеза с использованием магния. Мы надеемся, что это исследование ускорит коммерциализацию литий-серных батарей».
