Катоди на основі кремнію стабілізують Li-S елементи. Ефект: більше 2 циклів зарядки замість кількох десятків

Вчені з Інституту науки та технологій Тегу (DGIST, Південна Корея) розробили катод на основі кремнію, який, як очікується, витримає понад 2 цикли зарядки в Li-S елементах. У класичних літій-іонних елементах в анодах використовується чистий кремній, який доповнює та поступово замінює графіт. Тут використовувався оксид кремнію, в катоді діоксид кремнію.

Осередок Li-S = літієвий анод, катод з діоксиду кремнію з сіркою

Li-S елементи вважаються цікавими через їх високу питому енергію, вагу та низьку вартість виробництва. Однак поки що нікому не вдалося створити таку версію, яка б витримала більше кількох десятків циклів зарядки. Все через полісульфіди літію (LiPS), які розчиняються в електроліті під час розряду і вступають в реакцію з анодом, знижуючи його ємність і, як наслідок, руйнуючи акумулятор.

Ймовірно, що південнокорейські дослідники знайшли вирішення проблеми. Замість матеріалів на основі вуглецю (наприклад, графіту) вони використовували у катоді. пластинчаста структура мезопористого кремнезему (ПОМС).

Пластинчаста структура зрозуміла, у той час як мезопористість означає скупчення пор (порожнин) у кремнеземі, які мають запланований розмір, поверхневу щільність та невелику дисперсію розміру (джерело). Це трохи схоже на те, як якби ви регулярно протикали розташовані поруч одна з одною пластини якогось силікату, щоб вийшло сито.

Вчені DGIST використовували ці отвори для осадження сірки (малюнок а). Під час розряду сірка розчиняється та утворює полісульфіди літію (LiPS) з літієм. Таким чином, заряд тече, але LiPS залишається захопленим біля катода через додатковий невизначений вуглецевий фактор (чорна структура, малюнок b).

Під час заряджання LiPS виділяє літій, який повертається на літієвий анод. З іншого боку, сірка переходить у кремнезем. Немає витоку LiPS на анод, немає пошкоджень металу.

Створений таким чином акумулятор Li-S зберігає високу ємність та стабільність протягом 2 робочих циклів. Стандартним для класичних Li-ion елементів вважається щонайменше 500-700 циклів роботи, хоча варто додати, що добре оброблені літій-іонні елементи витримують кілька тисяч циклів.