Литий-серные батареи: вместительные, но нестабильные

29 июнь 2023

Литий-серные батареи: преимущества и недостатки

Главное преимущество, которое имеют Li-S батареи по сравнению с другими типами аккумуляторов – это очень высокая плотность энергии на единицу веса. Если сравнивать с литий-ионными батареями, то у литий-серных АКБ этот показатель в 3-5 раз больше. Это позволяет значительно расширить спектр их использования, ведь можно производить батареи в 3-5 раз меньше по размеру, чем современные аналоги. Можно провести электрификацию такой достаточно проблемной отрасли, как авиация, а также крупных транспортных средств. Если оценивать другие преимущества, нужно отметить следующее:

• Доступность материалов — снижение стоимости АКБ — важнейшая проблема, которую приходится решать разработчикам. Рост стоимости литиевых батарей в последнее время вызван скачком цен на металл, а также на никель и кобальт. В то же время, сера — один из самых распространенных элементов на планете, его достаточно просто добывать. Подсчеты показывают, что при одинаковой емкости литий-серные батареи будут как минимум в 2 раза дешевле, чем литиевые.
• Безопасность – литий-серные элементы самые безопасные, по сравнению с другими типами накопителей. Учитывая особенности химического превращения, тепловой разгон очень незначителен, вероятность взрыва — минимальна. Технология Li-S, использующая защитный твердотельный слой на аноде, также снизит риск короткого замыкания элементов.
• Мобильность – химическая формула позволяет безопасно хранить Li-S элементы длительное время, а также перевозить в разряженном состоянии любым видом транспорта, в том числе – самолетами.
• Низкий саморазряд – аккумулятор способен сохранять заряд в течение очень длительного времени (в некоторых источниках приводятся данные до полугода) практически без потерь.
• Экологичность – литий-серные аккумуляторы не содержат никель и кадмий, которые негативно влияют на окружающую среду. Для переработки литиевых аккумуляторов необходимы сложные и дорогостоящие технологии, утилизация Li-S будет значительно дешевле. При повреждении целостности корпуса аккумулятор не представляет опасности для живых организмов.

Главная проблема — очень незначительный срок эксплуатации, что связано, прежде всего, с нестабильностью катода. Сера легко вступает во взаимодействие с электролитом, в результате чего образуются полисульфидные соединения. Они легко растворяются в электролите, в результате чего происходит потеря активной серы, необходимой для создания потока электронов. Другой момент – при зарядке и разрядке объем серы на катоде значительно изменяется, в некоторых случаях – до 80%. В результате активные материалы осыпаются, катод быстро разрушается и аккумулятор выходит из строя, количество возможных циклов заряда/разряда составляет около 100.

Эту проблему пытаются решить, используя различные добавки, прежде всего углеродного материала, например, графена. Еще одним из вариантов решения является использование твердотельного электролита, но это лишает литий-серные батареи одного из их главных преимуществ – небольшого веса. Хотя этот момент непринципиален, если речь идет о стационарных промышленных системах накопления и хранения энергии.