Новая работа открывает новые возможности для развития редкого типа батарей, который может похвастать удивительной ёмкостью, но при этом очень недолговечен. Команда учёных из Стэндфорда (Stanford University) озаботилась проблемой выносливости литиево-серных аккумуляторов. Этот тип источника тока уже достиг ёмкости в 350 ватт-часов на килограмм, а в перспективе может ещё нарастить данный показатель, по некоторым оценкам, до 600 вт-ч/кг.

Для сравнения, удельная ёмкость литиево-ионных ячеек лежит в пределах 100-250 вт-ч/кг, при этом батареи действительно больших вместимости и мощности (для электромобилей) располагаются ближе к нижней границе данного диапазона.

Таким образом, серные аккумуляторы равного веса могли бы нарастить пробег электрокаров в 2-3 раза. К сожалению, полисульфиды, формирующиеся в процессе разряда таких батарей, частично растворяются в электролите, что приводит к быстрой потере активной массы серы и падению ёмкости устройства. Потому ячейки Li-S пока нашли лишь ограниченное применение, например они установлены на рекордном солнечном беспилотнике.

Исследователи из Стэндфорда покрыли субмикронные частицы серы слоем полиэтиленгликоля, который удерживает полисульфиды в ловушке. Далее эти частицы снабдили ещё одним покрытием из лепестков частично окисленного графена, украшенных к тому же наночастицами сажи.

Графен решил сразу несколько проблем. Он послужил дополнительной защитой, предотвращающей потерю серы электродом, вместе с полиэтиленгликолем помог создать эластичный буферный слой, позволяющий серной микросфере изменяться в объёме по мере разряда и заряда, наконец, на пару с сажей графен повысил электропроводность материала.

Полученный таким образом катод показал, что способен поддерживать свою удельную ёмкость на уровне около 550-600 миллиампер-часов на грамм в течение более чем 100 циклов. (Детали опытов можно найти в статье в Nano Letters.)

Изменение удельной ёмкости (мАч/г, по вертикали) нового катода по мере прохождения циклов заряда и разряда (по горизонтали) при двух разных нагрузках (иллюстрация Hailang Wang, et al./American Chemical Society).

Правда, технология оказалась сырой. Несколько изготовленных таким способом электродов продемонстрировали большой разброс в параметрах. Лучшие из катодов после ста циклов потеряли всего 10-15% от исходной ёмкости, а самые неудачные экземпляры – до 25%.

Тем не менее даже эти числа — уже огромный шаг вперёд на пути превращения батарей Li-S из экзотики в изделия, пригодные для массового применения. Ведь ранние образцы литиево-серных аккумуляторов приходили в полную негодность и вовсе после всего-то 60 циклов заряд-разряд.