ООО «ДАГЛИТИЙ» в рамках выполнения НИОКР поддержанных Фондом содействия инновациям по программе Старт-21-1 (договор 4470ГС1/72582), разработали и изготовили опытные прототипы литий-серных аккумуляторов, в твердотельном и проточном исполнении.
Литий-серные аккумуляторы представляют собой одну из наиболее привлекательных электрохимических систем с точки зрения плотности энергии и стоимости. В большинстве предложенных систем анодная сторона - металлическая, а катодная сторона представляет собой элементную серу, интернированную в пористую композитную матрицу. Несмотря, на относительно низкое рабочее напряжение выдаваемое этими системами, они привлекают большое внимание и считаются очень перспективными в качестве аккумуляторов нового поколения по следующим причинам:
1) Использование активных металлических анодов позволяет резко увеличить удельную энергию за счет высокой емкости по сравнению с интеркаляционными соединениями;
2) Сера в качестве катода обладает высокой теоретической удельной емкостью 2615 Вт·ч/кг (1675 мАч/г);
3) Системные компоненты делают батареи недорогими и менее токсичными. Тем не менее, высокая реакционная способность металлических и растворимость соединений серы в электролите делают эти батареи нестабильными и затрудняют их практическую реализацию.
Сотрудниками ООО «ДАГЛИТИЙ» предложен перспективный подход для увеличения энергоемкости и срока службы литий-серной батареи, путем использование электродной ячейки с проточным перезаряжаемым неводным электролитом. Данный подход позволил решить главную проблему литий-серного аккумулятора, связанную с миграцией серы, роста дендритов.
Литий-серный проточный аккумулятор сочетает в себе принципы работы литий-серного аккумулятора на жидким электролите и проточной редокс батареи. Устройство самой электрохимической ячейки в проточном исполнении такое же, как и в стационарной ячейке. В обоих случаях жидкий электролит, вместе с сепаратором размещен между анодом (металлический литий) и катодом (сера интеркалированная в пористый углерод), но в проточном варианте сам электролит между электродами непрерывно прокачивается из отдельного резервуара, а следовательно и концентрация электролита остается все время высокой, что в свою очередь обеспечивает лучшие показатели энергоемкости и мощности проточного аккумулятора.
Созданные на основе полученного литий-серного катода прототипы твердотельных ячеек обеспечивают надежные эксплуатационные и технические характеристики: высокая мощность 520-750 Ватт/кг; количество циклов заряда /разряда – до 600; увеличенный ресурс срока службы 2-3 года; высокая ионная проводимость полимерного электролита 0,001- 0,0001 См/см; электрохимическая устойчивость электролита- более 4 В; предел прочности 2-4 МПа; предел рабочих температур 263 -373 К; эффективное значение кулоновской ёмкости более 90 %.
Разработанные прототипы литий-серных ячеек в проточном исполнении, в сравнении с аналогами - литиевыми и другими проточными редокс батареями, обладают рядом преимуществ: использование литий-металлического анода, позволяет резко увеличить удельную энергию за счет высокого емкости металлических анодов по сравнению с интеркаляционными соединениями, а сера в качестве катода обладает высокой теоретической удельной емкостью (1675 мАч/г); предложенные металл-серные проточные аккумуляторы имеют высокие удельную мощность энергии 400-680 Вт·ч/кг, количество выдерживаемых циклов заряда/ разряда – 8000-10000 шт., энергоэффективность 80-95 %; использование поточной системы движения электролита решает проблему подавления полисульфидного челнока и миграции серы к аноду, характерную для обычных металл-серных батарей с неподвижным слоем электролита; предлагаемые проточные батареи являются недорогими и экономичными; технология легко масштабируема и может использоваться для очень длительного хранения энергии, полученной от солнечных, ветряных и др. электростанций.
Для повышения уровня технологической готовности и его последующего промышленного внедрения требуется проведение дополнительных испытаний прототипов литий-серных аккумуляторов, в твердотельном и проточном исполнении уже на реальных объектах (устройствах): легковые и грузовые электромобили, квадрокоптеры, малая авиация, гаджеты, ноутбуки, смартфоны, и др. носимая электроника, морские суда, яхты, промышленные батареи для ветряных и солнечных электростанций.
ООО «ДАГЛИТИЙ» настроено продолжить работы по усовершенствованию литий-серных, проточных аккумуляторов c использованием приборного парка АЦКП ДФИЦ РАН и поиску промышленных партнеров для организации их серийного производства.