Представьте себе будущее, когда электромобили смогут преодолевать тысячи миль без подзарядки, а грузовые суда и пассажирские самолеты будут работать на батареях, а не на ископаемом топливе.
Чтобы сделать эти технологические скачки реальностью, исследователи работают над поиском альтернативы литий-ионным батареям, которые, несмотря на их использование во всем, от смартфонов до электромобилей, имеют некоторые недостатки, особенно их относительно низкую плотность энергии по сравнению с бензином.
Одной из многообещающих альтернатив являются литий-серные батареи, обладающие высокой плотностью энергии. Другими словами, катод из серы и металлический литий-анод позволяют аккумулятору накапливать больше ватт-часов на килограмм, чем обычный литий-ионный аккумулятор.
Высокая плотность энергии литий-серных батарей может привести к созданию более легких и меньших по размеру батарей, которые могут дольше работать без подзарядки. Они также могут быть менее дорогими и считаются более экологичными, чем литий-ионные батареи.
Однако литий-серные батареи имеют один большой недостаток: они быстро разлагаются, поэтому их срок службы меньше, чем у других типов батарей, и их производительность снижается по мере их перезарядки.
Недавно Бин Ли, старший научный сотрудник отдела хранения энергии и электротранспорта Национальной лаборатории Айдахо (INL), нашел творческое решение этой проблемы. Он предложил компании Cogent Energy Systems из Айдахо-Фоллс применить свою технологию — углеродные нанолуковицы — к литий-серным батареям в качестве носителя серы, чтобы улучшить цикличность батареи.
Сотрудничество стало возможным благодаря Программе технической помощи Национальной лаборатории Айдахо , которая бесплатно предоставляет малым предприятиям США доступ к экспертам INL и уникальным возможностям.
Углеродные нанолуковицы представляют собой крошечные углеродные структуры, состоящие из концентрических слоев (отсюда и название «луковица»), которые обладают несколькими полезными химическими и физическими свойствами. Проблема в том, что большинство методов производства углеродных нанолуковиц подходят только для мелкосерийного производства. Для использования в литий-серных батареях в коммерческих целях необходимо крупномасштабное производство.
Ранее компания Cogent использовала плазменную технологию, лицензированную INL, для разработки газогенератора HelioStorm, который генерирует высокотемпературную активную плазму для преобразования биомассы, твердых бытовых отходов и других горючих материалов в чистый синтез-газ для производства энергии и топлива.
Недавно компания Cogent провела испытания газогенератора HelioStorm на материале, называемом сажей, который производится в результате термического крекинга углеводородов.
«Мы получили этот сажевый материал и отправили его через газификатор», — сказал Питер Конг, главный научный сотрудник Cogent и выдающийся ученый на пенсии из INL. «Высокие температуры в газификаторе превратили его в нанолуковицу — форму углерода, похожую на графит, с концентрическими кольцами, как у луковицы. Из-за этой особой структуры его можно использовать в качестве носителя серы».
«Мы разработали процесс, который может производить в больших количествах и снижать производственные затраты», — продолжил Конг.
ПОМОЩЬ ПРОГРАММЫ ТЕХНИЧЕСКОЙ ПОДДЕРЖКИ
Благодаря Программе технической помощи Ли смог спроектировать и провести испытания производительности нано-лука в литий-серной батарее.
«Мы сравнили нанолуковый порошок с коммерческим серным электродом, — сказал Ли. «Этот материал указывает на лучшую производительность при езде на велосипеде и лучшую скорость».
Другими словами, углеродные нано-луковицы помогли аккумулятору заряжаться быстрее и лучше сохранять свои характеристики после длительных циклов зарядки/разрядки.
В литий-серных батареях активным материалом катода является сера. Когда нано-луковицы содержат серу, их концентрические слои помогают повысить производительность батареи. В частности, нанолуковицы могут препятствовать эффекту челночного движения — процессу, при котором полисульфиды образуются из серы и мигрируют к аноду, разрушая батарею.
Тесты, проведенные Ли на углеродных нанолуковицах Cogent, основывались на возможностях, недоступных за пределами крупного исследовательского учреждения, такого как INL. «Поскольку мы небольшая компания, у нас нет ресурсов для большого количества тестов и разработок», — сказал Конг. «Нам потребовалась помощь INL, чтобы охарактеризовать характеристики материала».
По словам Райана Биллса, старшего менеджера по коммерциализации INL, INL очень заинтересована в поддержке местных предприятий и муниципалитетов. «Команда специалистов по хранению энергии обладала уникальной способностью удовлетворять потребности Cogent, — сказал он. «Это было естественно. Насколько мне известно, не так много команд могут сделать такой анализ так быстро».
«В случае Cogent мы смогли работать с местной компанией и поддержали коммерциализацию новой технологии, которая могла бы связать свое происхождение с INL», — продолжил Биллс.
Следующим шагом для Cogent является использование данных, собранных в INL о производительности углеродных нано-луковиц, для вывода продукта на рынок.
Ли сказал, что считает сотрудничество беспроигрышным, поскольку оно демонстрирует потенциал многообещающей аккумуляторной технологии. «Литий-серные аккумуляторы демонстрируют высокую производительность и низкую стоимость», — сказал он. «Если препятствия в этих аккумуляторных системах удастся устранить, электрификация не только транспорта, но и других приложений для хранения энергии может стать реальностью».
