Записаться

Осин Алексей

Директор автоцентра

18.01.2022

Бронежилеты и хрящи

Группа американских и китайских ученых создала действующий прототип литий-серного аккумулятора. Лабораторные испытания показали, что он выдерживает более трех тысяч циклов перезарядки, сохраняя исходную емкость, которая в пять раз больше, чем у аналогичных литий-ионных батарей. Новый аккумулятор дешевле и причиняет значительно меньше вреда природе — у которой, кстати, ученые и позаимствовали некоторые идеи для своей разработки.

Принцип работы литий-серных аккумуляторов тот же, что и у литий-ионных: ее основу составляет литиевый анод, а ионы этого металла как раз и переносят заряд между электродами. Отличие начинается с катода — изготовленного не из кобальта, а из серы. Именно наличие серы в разы увеличивает емкость батареи. К тому же она гораздо доступнее, дешевле и экологичнее.

Главная проблема серных аккумуляторов — их недолговечность. Как правило, они выдерживают не больше сотни циклов заряд/разряд. Виной тому полисульфиды лития (соединения лития с серой), оседающие на аноде, а также быстро растущие на нем же дендриты — литиевые наросты, способные дотянуться до катода и устроить короткое замыкание.

Спрашивается, почему бы не разделить электроды прочным сепаратором, через который не просочатся молекулы полисульфидов и не пробьются дендриты? Но до сих пор исследователям не удавалось подобрать материал для такого разделителя — ведь защищая анод от соединений серы, он должен пропускать ионы лития, несущие заряд. И вот теперь такой материал найден.

За основу был взят кевлар — тот самый, из которого делают бронежилеты. Но перегородку в аккумуляторной ячейке нельзя сделать, просто отрезав тонкий пласт подходящего вещества. Ученые взяли нановолокна кевлара и сплели из них… хрящ — такой же, как у животных и людей. Хрящевая ткань состоит из совсем не прочных веществ, но особая структура делает ее удивительно прочной. Эту структуру и позаимствовали ученые.

Чтобы противостоять дендритам, достаточно одной прочности, но как быть с сортировкой частиц? Причем они почти равны по величине, отсеять их механически не получится. Тогда ученые нашли еще один природный образец — ионные каналы клеточной мембраны. Дело в том, что частицы полисульфидов заряжены отрицательно. Они быстро покрывают нановолокна сепаратора тонким слоем, который уже не может стать толще, потому что новые частицы отталкиваются от него (ведь одноименные заряды отталкиваются, помните?). А положительно заряженные ионы легко проникают сквозь поры в «хряще».

Что интересно, изготовление такого разделителя происходит само собой — при определенных условиях, конечно, заданных учеными. А сырьем могут стать списанные кевларовые бронежилеты.

18.01.2022

1443