Число и разнообразие мобильных электронных устройств неуклонно растёт и ширится. Результатом тихой мобильной революции стал неудержный спрос на мощные, лёгкие аккумуляторы небольшого размера. Поскольку потенциал для дальнейшего улучшения «классических» литий-ионных батарей практически исчерпан, специалисты проявляют всё больше интереса к литий-серным батареям, «новым и многообещающим».

В качестве важного шага на пути дальнейшей разработки этого типа аккумуляторов научная группа под руководством Томаса Байна из Мюнхенского университета (Германия) и Линды Назар из Университета Ватерлоо (Канада) предлагает использовать пористые углеродные наночастицы, абсорбирующие молекулы серы для достижения наибольшей аккумуляционной эффективности.

Подробности работы можно найти в статье, появившейся 10 апреля в европейском журнале Angewandte Chemie.

Рис. 1. Литий-серная батарея. Показаны упорядоченные мезопористые углеродные наночастицы, заполненные молекулами серы (жёлтые). (Иллюстрация Thomas Bein / LMU Munich.

В прототипах литий-серных батарей ионы лития обмениваются между литий- и сероуглеродным электродами. Сере в этой системе отведена очень специфическая роль: при идеальном стечении обстоятельств она способна абсорбировать два иона лития на каждый свой атом. Таким образом, потенциально это прекрасный материал для аккумуляции энергии, в том числе благодаря низкому весу. В то же время (к величайшему сожалению) сера — слишком плохой проводник.

Чтобы улучшить эту простую, но, увы, малопригодную конструкцию, учёные подготовили серу таким образом, чтобы максимально увеличить эффективную площадь контакта для облегчения трансфера электронов, соединив её с наноструктурным проводящим материалом.

Ради этого были созданы взаимосвязанные сферические мезопористые углеродные наночастицы, характеризующиеся широкими порами с размером от 3 до 6 нм, которые позволяют распределить молекулы серы максимально равномерно по всей этой углеродной сетке. В этом случае, как оказалось, практически каждая молекула серы доступна для взаимодействия с ионами лития и одновременно достигается максимальный контакт между серой и проводящим углеродом.

Словом, учёным удалось достичь начальной ёмкости в 1 200 мА•ч/г и достойной стабильности циклов перезарядки.

Но более неожиданным плюсом применённой схемы с пористыми наночастицами стало, пожалуй, то, что углеродная структура заодно уменьшает проблему полисульфидов, которые образуются в качестве промежуточных продуктов в электрохимическом процессе и могут оказывать необратимое негативное влияние на циклы зарядки–разрядки.

Исследователи сумели покрыть углеродный материал тонким слоем оксида кремния, способным эффективно препятствовать образованию полисульфидных депозитов без снижения проводимости.