Дослідницька група під керівництвом професора Джонг-Сунг Ю з DGIST факультету енергетичних наук та інженерії розробила інноваційну технологію, що дає змогу значно підвищити швидкість заряджання літій-сірчаних батарей. Команда використовувала новий пористий вуглецевий матеріал, легований азотом, щоб розв'язати проблему низької швидкості зарядки, яка перешкоджала комерціалізації наявних літій-сірчаних батарей.
З одного боку, літій-іонні батареї незамінні для екологічно чистих технологій, таких як електромобілі. Однак їхні можливості обмежені низькою ємністю зберігання енергії та високою вартістю. З іншого боку, літій-сірчані батареї привертають увагу як батареї нового покоління завдяки високій щільності енергії та низькій вартості сірки як матеріалу. Незважаючи на ці переваги, комерціалізація була ускладнена через недостатнє використання сірки під час швидкого заряджання, що знижує ємність батареї.
Іншою проблемою є полісульфіди літію, що утворюються в процесі розряду. Ці сполуки мігрують усередині батареї, погіршуючи її характеристики. Щоб вирішити цю проблему, дослідники розробляють батареї, вбудовуючи сірку в пористі вуглецеві структури. Однак їм ще належить досягти рівня продуктивності, придатного для комерційного використання.
Щоб вирішити ці проблеми, команда професора Ю синтезувала новий високографітний багатопористий вуглецевий матеріал, легований азотом, і застосувала його в катоді літій-сірчаної батареї. Ця технологія успішно підтримує високу енергоємність навіть в умовах швидкого заряджання.
Новий вуглецевий матеріал було синтезовано методом термічного відновлення, в якому беруть участь магній і ZIF-8, металоорганічний каркас. За високих температур магній вступає в реакцію з азотом у ZIF-8, роблячи вуглецеву структуру стабільнішою і міцнішою, а також створюючи різноманітну структуру пор. Така структура дає змогу не тільки збільшити завантаження сірки, а й поліпшити контакт між сіркою та електролітом, що значно підвищує продуктивність батареї.
У літій-сірчаній батареї, розробленій у даному дослідженні, як носій сірки використовувався багатофункціональний вуглецевий матеріал, синтезований за допомогою простого методу термічного відновлення з використанням магнію. Навіть в умовах швидкої зарядки з часом повного заряду всього 12 хвилин батарея досягла високої ємності 705 мАг г-¹, що в 1,6 раза краще, ніж у звичайних батарей.
Крім того, легування поверхні вуглецю азотом ефективно придушило міграцію полісульфіду літію, що дало змогу батареї зберегти 82 % ємності навіть після 1000 циклів заряду-розряду, продемонструвавши відмінну стабільність.
Під час дослідження спільна група під керівництвом доктора Халіла Аміна з Аргоннської національної лабораторії провела розширений мікроскопічний аналіз. Ці аналізи підтвердили, що сульфід літію (Li₂S) був сформований у певній орієнтації в шаруватих структурах нового вуглецевого матеріалу. Цей висновок підтвердив, що легування азотом і пориста структура вуглецю сприяють збільшенню завантаження сірки, а графітова природа вуглецю прискорює реакції з сіркою, тим самим підвищуючи швидкість зарядки.
Професор Джонг-Сунг Ю зазначив: «Це дослідження було спрямоване на підвищення швидкості зарядки літій-сірчаних батарей за допомогою простого методу синтезу з використанням магнію. Ми сподіваємося, що це дослідження прискорить комерціалізацію літій-сірчаних батарей».
