Китайские учёные предложили новую стратегию пространственно-временной сопряжённой химии серы

Исследовательская группа Института физики Китайской академии наук и Университета науки и технологий Хуачжун разработала нетрадиционный метод, основанный на пространственно-временной связи сульфидной химии (SSC), и успешно решила проблему стабильности интерфейса в материалах катодов с высоким содержанием кремния (Si90+) при практическом применении. Результаты исследования были опубликованы в журнале «Nature Communications». Батарея с мягкой оболочкой ёмкостью 7,3 Ач, основанная на этой стратегии, демонстрирует выдающиеся характеристики: удельную энергоёмкость 400 Втч/кг и объёмную энергоёмкость 1190 Втч/л, а также срок службы в 1700 циклов.

Исследование направлено на удовлетворение потребностей в высокоэнергетических литий-ионных батареях следующего поколения, особенно в таких новых отраслях, как электрические летательные аппараты с малой высотой полёта и человекоподобные роботы, где предъявляются повышенные требования к плотности энергии батарей. Традиционные кремниево-углеродные композитные материалы уже не удовлетворяют этим требованиям, а материалы с высоким содержанием кремния (>90 мас.%) хотя и обладают более высокой удельной ёмкостью, но при сочетании с катодами с высоким содержанием марганца на их поверхности трудно сформировать стабильный интерфейс, способный адаптироваться к объёмному расширению. Команда инновационным образом внедрила в кремниевый анод интерфейсный регулятор (слой серы), который в процессе электрохимии высвобождает промежуточные сульфиды, инициируя полимеризацию электролита, и формирует эластичный интерфейс твёрдого электролита (SEI), проницаемый для ионов, который эффективно покрывает поверхность катода Si90+.

Батареи, основанные на технологии SSC, демонстрируют значительные преимущества в практическом применении: коэффициент расширения электрода после 100 циклов составляет всего 9,4 % (по сравнению с примерно 300 % у эталонного образца), при этом сохраняется целостность слоя SEI и структуры электрода. С точки зрения стоимости, стоимость материалов этой технологии составляет около 29,1 евро за кВтч, что немного выше, чем у распространённой системы NCM622 с графитом (27,8 евро за кВтч), но ниже, чем прирост производительности, который она обеспечивает. Кроме того, энергозатраты на производство кремниевых анодов значительно ниже, чем на производство графита (0,91 кВтч против 9,27 кВтч на кВтч), что даёт явные экологические преимущества. Исследовательская группа отмечает, что эта технология уже применяется в разработке электробатарей следующего поколения с сверхвысокой плотностью энергии и может ускорить их внедрение в электромобилях и в сфере экономики низковысотного полёта.