Літій-сіркові батареї: місткі, але нестабільні

29 червень 2023

Літій-сіркові батареї: переваги та недоліки

Головна перевага, яку мають Li-S батареї в порівнянні з іншими типами акумуляторів — це дуже висока щільність енергії на одиницю ваги. Якщо порівнювати з літій-іонними батареями, то у літій-сіркових АКБ цей показник у 3-5 разів більший. Це дозволяє значно розширити спектр їх використання, адже можна випускати батареї у 3-5 разів менше за розміром, ніж сучасні аналоги. Можна провести електрифікацію такої досить проблемної галузі, як авіація, а також великих транспортних засобів. Якщо оцінювати інші переваги, слід зазначити таке:

• Доступність матеріалів — зниження вартості АКБ є найважливішою проблемою, яку доводиться вирішувати розробникам. Зростання вартості літієвих батарей останнім часом викликане стрибком цін на метал, а також на нікель та кобальт. Водночас сірка — один із найпоширеніших елементів на планеті, його досить просто добувати. Підрахунки показують, що при однаковій місткості літій-сіркові батареї будуть як мінімум у 2 рази дешевші, ніж літієві.

• Безпека — літій-сіркові елементи найбезпечніші, в порівнянні з іншими типами накопичувачів. Ураховуючи особливості хімічного перетворення, тепловий розгін дуже незначний, ймовірність вибуху — мінімальна. Технологія Li-S, яка використовує захисний твердотільний шар на аноді, також знизить ризик короткого замикання елементів.

• Мобільність — хімічна формула дозволяє безпечно зберігати Li-S елементи тривалий час, а також перевозити у розрядженому стані будь-яким видом транспорту, у тому числі — літаками.

• Низький саморозряд — акумулятор здатний зберігати заряд протягом дуже тривалого часу (у деяких джерелах наводяться дані до пів року) практично без втрат.

• Екологічність — літій-сіркові акумулятори не містять нікель і кадмій, які негативно впливають на навколишнє середовище. Для переробки літієвих акумуляторів необхідні складні та дорогі технології, утилізація Li-S буде значно дешевшою. При пошкодженні цілісності корпусу акумулятор не становить небезпеки для живих організмів.

Головна проблема — дуже незначний термін експлуатації, що пов'язано насамперед із нестабільністю катода. Сірка легко вступає у взаємодію з електролітом, внаслідок чого утворюються полісульфідні сполуки. Вони легко розчиняються в електроліті, внаслідок чого відбувається втрата активної сірки, необхідної для створення потоку електронів. Інший момент — під час заряджання та розрядки обсяг сірки на катоді значно змінюється, у деяких випадках — до 80%. В результаті активні матеріали обсипаються, катод швидко руйнується та акумулятор виходить з ладу, кількість можливих циклів заряд/розряд становить близько 100.

Цю проблему намагаються вирішити, використовуючи різні добавки, насамперед — вуглецевого матеріалу, наприклад, графена. Ще одним із варіантів рішення є використання твердотільного електроліту, але це позбавляє літій-сіркові батареї однієї з їх головних переваг — невеликої ваги. Хоча цей момент непринциповий, якщо йдеться про стаціонарні промислові системи накопичення та зберігання енергії.