Литий-серный аккумулятор

Перейти к навигацииПерейти к поиску
Литий-серный аккумулятор
Схематический рисунок ЛСА в ходе разряда
Схематический рисунок ЛСА в ходе разряда
Удельная энергоёмкость 250-500 Вт·ч/кг
Долговечность (циклы) >1000
Электродвижущая сила 1,7-2,5 В

Литий-серный аккумулятор (сокращённо — Li-S, ЛСА) — вторичный химический источник тока, в котором катод жидкий с содержанием серы отделён от электролита специальной мембраной.

Показатели

  • Теоретическая удельная энергоёмкость: до 2600[1] Вт·ч/кг (до 9360 кДж/кг)
  • Удельная энергоёмкость: 250–500 Вт·ч/кг (900-1800 кДж/кг)
  • Удельная энергоплотность: 218[2] Вт·ч/дм3 (785 кДж/дм3)
  • Удельная плотность конструкции: н/д кг/дм3
  • Количество циклов заряд-разряд до потери 20% ёмкости: 1000[3] (1500 без потерь ёмкости, при токах 0,05-1 С[4])
  • Срок хранения: н/д лет
  • Саморазряд при комнатной температуре: н/д % в месяц
  • Напряжение: 2.1[2][5] В; 1,7-2,5[4] В
  • Удельная мощность: н/д Вт/кг (при разряде током н/д С)
  • Диапазон рабочих температур: от -40°C[1]
  • КПД: н/д %
  • Стоимость: достижима менее $100/кВт·ч[4] (10 Вт⋅ч/$)

Устройство и принцип работы

Аккумулятор сделан многослойным, между анодом и катодом расположены анодные и катодные мембраны и слой электролита. Конструкция такого аккумулятора схожа с литий-ионными аккумуляторами, однако, в отличие от него, литий-серный аккумулятор использует вместе с литиевым анодом серосодержащий катод, за счёт чего увеличивается его удельная зарядовая ёмкость. Другая особенность Li-S — возможность использовать жидкий катод, увеличивая таким образом плотность тока через него[5].

Электро-химическая реакция

Реакция литий-серного аккумулятора совпадает с реакцией натрий-серного аккумулятора, только в данном случае роль натрия выполняет литий[6]:

Разряд
S8 → Li2S8 → Li2S6 → Li2S4 → Li2S3
Заряд
Li2S → Li2S2 → Li2S3 → Li2S4 → Li2S6 → Li2S8 → S8

Оценка

Примечательна удельная энергоёмкость литий-серных аккумуляторов, составляющая уже у первых образцов до 300 Вт·ч/кг[5]. К другим достоинствам литий-серного аккумулятора можно отнести отсутствие необходимости использовать компоненты защиты, низкая себестоимость, широкий диапазон рабочих температур и общую экологическую безопасность[1].

К недостаткам литий-серного аккумулятора следует отнести очень короткое время жизни (всего 50-60 циклов заряд-разряд)[2]. Однако, последние образцы имеют долговечность 1000 и более циклов[7][8][3][4].

История

Разработка

Первые образцы подобных аккумуляторов были разработаны в 2004 году компанией Sion Power из США. В 2006 эта компания представила опытный образец аккумулятора размером 11×35×55 мм и ёмкостью 2,2 А⋅ч при напряжении 2,1 В[2][9].

В результате исследований, команде ученых из Стэнфорда удалось стабилизировать время жизни на уровне 100 циклов заряд-разряда, при падении ёмкости на 10-20% от изначальной. Однако примененный учеными способ (добавление полиэтиленгликоля, полуокисленного графена и микрочастиц сажи) приводит к очень высокому разбросу показателей катодов - лучшие из них теряют 10% ёмкости, худшие — 25%[10].

В 2013-м году учёными из Лаборатории Беркли(США) достигнута энергоёмкость 500 Вт·ч/кг и около 250 Вт·ч/кг при заряде/разряде токами 0,05 и 1 C соответственно; долговечность при этом составила не менее 1500 циклов заряда-разряда без потери ёмкости[4].

Использование

Именно такой тип аккумуляторов использовался в августе 2008 года при рекордно высоком и продолжительном полёте на самолёте на солнечных батареях[11].

Примечания

  1. ↑ 1 2 3 Перспективные источники тока. Дата обращения: 2 августа 2010. Архивировано 3 октября 2010 года.
  2. ↑ 1 2 3 4 Построен новый тип сверхъёмкого литиевого аккумулятора. 20.03.2006. Дата обращения: 15 июля 2011. Архивировано 4 сентября 2011 года.
  3. ↑ 1 2 Li-S battery company OXIS Energy reports 300 Wh/kg and 25 Ah cell, predicting 33 Ah by mid-2015, 500 Wh/kg by end of 2018. 12.11.2014. Дата обращения: 8 октября 2019. Архивировано 8 октября 2019 года.
  4. ↑ 1 2 3 4 5 New lithium/sulfur battery doubles energy density of lithium-ion. 01.12.2013. Дата обращения: 8 октября 2019. Архивировано 14 мая 2016 года.
  5. ↑ 1 2 3 Литий-серные аккумуляторы для портативных устройств. Дата обращения: 2 августа 2010. Архивировано из оригинала 24 мая 2012 года.
  6. ↑ Tudron, F.B., Akridge, J.R., and Puglisi, V.J. (2004): Lithium-Sulfur Rechargeable Batteries: Characteristics, State of Development, and Applicability to Powering Portable Electronics Архивная копия от 14 июля 2011 на Wayback Machine (Tucson, AZ: Sion Power)  (англ.)
  7. ↑ World-Record Battery Performance Achieved With Egg-Like Nanostructures. 08.01.2013. Дата обращения: 8 октября 2019. Архивировано 23 июня 2013 года.
  8. ↑ Sulphur-TiO2 yolk-shell nanoarchitecture with internal void space for long-cycle lithium-sulphur batteries. Январь 2013. Дата обращения: 8 октября 2019. Архивировано 5 июня 2019 года.
  9. ↑ Разработан самый емкий на сегодня аккумулятор
  10. ↑ Графен повысил живучесть ультраёмких батарей. 14.07.2011. Дата обращения: 15 июля 2011. Архивировано 17 июля 2011 года.
  11. ↑ BBS News: «Solar plane makes record flight» Архивная копия от 18 сентября 2019 на Wayback Machine  (англ.)