Ученые разработали новый прототип литиевых аккумуляторов, емкость которых втрое превышает емкость современных батарей благодаря использования серы в качестве одного из электродов.

Добиться высокой скорости работы серного катода ученым удалось, применив нанотехнологический подход с использованием пористого углеродного материала с высокой электропроводностью. По словам ученых, продемонстрированный подход к созданию композитных материалов может найти применение в ряде других областей науки и технологий.

Метод производства катода заключается в заливке расплавленной серы в поры структуры, построенной из стержней пористого углерода толщиной всего в 6,5 нанометров. Эти стержни в структуре разделены пустыми капиллярами толщиной 3–4 нанометра. При заливке сера под действием капиллярных сил сама собой засасывается в капилляры, где затвердевает по мере охлаждения. В результате такого процесса сера равномерно распределяется по структуре из углерода, что позволяет достичь чрезвычайно большой площади контакта между электропроводящей углеродной структурой и диэлектрической серой.

«Этот композитный материал обладает емкостью по отношению к ионам лития, составляющей 80% от емкости чистой серы, что в три раза превышает емкость катодов литиевых аккумуляторов, используемых в настоящее время. При этом электрод обладает стабильностью и большой скоростью работы», – говорит Линда Назар из Университета Ватерлоо, описавшая новые батареи в статье, принятой к публикации в Nature Materials.

Попытки создать литиево-серные аккумуляторы продолжаются уже второе десятилетие, так как такой тип батарей отличается значительно большим количеством запасаемой энергии, а так же дешевизной благодаря доступности серы. В ходе работы аккумулятора материал катода, который составляют молекулы серы S8, должен принять в свою структуру ионы лития Li+, мигрирующие через слой полимерного электролита от второго электрода, называемого анодом, и электроны.

Трудность создания такого аккумулятора заключается как раз в изготовлении серного катода – электрода, запасающего и отдающего ионы лития в процессе разряда и перезарядки соответственно. Для того, чтобы аккумулятор мог развить большую мощность, катод должен хорошо проводить электрический ток, однако сера является практически диэлектриком. Так как сера является диэлектриком и практически не проводит электрический ток в нормальных условиях, этот процесс идет очень медленно, что приводит к низкой мощности аккумулятора и очень долгой его перезарядке.