Карманные литий-серные батареи, исследованные на BESSY II

Группа ученых из HZB и Института материалов и лучевых технологий Общества Фраунгофера (IWS) в Дрездене получила новые сведения о литий-серных пакетных элементах на линии BAMline BESSY II. В сочетании с анализами, проведенными в лаборатории визуализации HZB, и другими измерениями формируется новая и содержательная картина процессов, ограничивающих производительность и срок службы этого промышленно значимого типа аккумуляторов. Исследование опубликовано в известном журнале «Advanced Energy Materials».

Литий-серные аккумуляторы имеют ряд преимуществ по сравнению с обычными литиевыми аккумуляторами: они используют серу в качестве распространенного сырья, не требуют критических элементов кобальта или никеля и могут достигать чрезвычайно высокой удельной плотности энергии. Современные прототипы ячеек уже достигают емкости до 500 Вт·ч/кг, что почти вдвое превышает показатели современных литий-ионных аккумуляторов.

Однако литий-серные аккумуляторы в настоящее время гораздо более подвержены процессам деградации: во время заряда и разряда на литиевом электроде образуются растворенные полисульфиды и фазы серы, которые все больше снижают производительность и срок службы аккумулятора. «Мы хотим прояснить эти процессы с помощью наших исследований с целью усовершенствования именно этого типа аккумуляторов», — говорит физик из HZB, доктор наук. Себастьян Риссе, руководитель группы в HZB по анализу работы аккумуляторных батарей.

Он специализируется на так называемых пакетных элементах — формате батарей, который широко используется в промышленности. В Институте HZB «Электрохимическое хранение энергии (CE-IEES)», который возглавляет профессор Янь Лу, создана лаборатория, специализирующаяся на производстве литий-серных аккумуляторов именно в таком «карманном формате». Здесь можно изготавливать и испытывать широкий ассортимент карманных литий-серных аккумуляторов. В рамках проекта BMBF «SkaLiS», который координирует Риссе, его команда совместно с группой из Института материалов и лучевых технологий Фраунгофера (IWS) в Дрездене опубликовала в журнале Advanced Energy Materials комплексное исследование литий-серных карманных ячеек.

Для этой цели элементы батареи исследовались на установке, разработанной в HZB, с использованием различных методов, таких как импедансная спектроскопия, распределение температуры, измерение силы и рентгеновская визуализация (синхротрон и лабораторный источник) во время зарядки или разрядки. «Впервые нам удалось наблюдать и документировать как образование литиевых дендритов, так и растворение или образование кристаллитов серы во время работы многослойной батареи», — говорит доктор. Рафаэль Мюллер, химик HZB и ведущий автор исследования.

« В частности, фазово-контрастная радиография с когерентным синхротронным светом на линии пучка BAM в BESSY II позволила нам проследить морфологию слабо поглощающего металлического лития. Нам удалось сопоставить эти данные с другими данными измерений, чтобы создать комплексную картину». Использование рентгеновских анализов в лаборатории визуализации HZB в сотрудничестве с группой доктора. Инго Манке также удалось проанализировать образование кристаллов серы с высокой степенью поглощения во время работы аккумулятора.

«Наши результаты создают мост между фундаментальными исследованиями и передачей технологий, в частности, они также позволяют сделать выводы относительно масштабируемости этой технологии аккумуляторов и дальнейшего развития систем аккумуляторных батарей высокой энергии », — говорит Рисс. Помимо прочего, группа продемонстрировала, что новый подход к проектированию от IWS Dresden является многообещающим: перфорированный и, следовательно, значительно более легкий катодный токосъемник не влияет на производительность ячейки.

Результаты данного исследования помогут оптимизировать производительность и срок службы литий-серных аккумуляторов, чтобы этот перспективный тип аккумуляторов мог соответствовать требованиям мобильных и стационарных систем хранения энергии.