Knowledge.bgнаука, обяснена ясно и с източници
Технологии

Литиево-серните батерии: опитът от 2020 г. и къде са те днес

През 2020 г. екип от университета Монаш показа литиево-серен електрод с голямо натоварване. Какво доказа опитът и какво още спира тези батерии.

От Редакция на Knowledge.bgПубликувано: Обновено: 4 мин. четене

През януари 2020 г. екип от университета Монаш с партньори от Института „Фраунхофер“ IWS в Дрезден публикува в „Science Advances“ статия за нов тип електрод за литиево-серни батерии. Новинарските заглавия я преведоха като батерия, която държи смартфон до пет дни. Такъв извод няма в самите числа: в статията капацитетът е даден на грам сяра и на квадратен сантиметър електрод, а не във време на работа на телефон. Опитът е лабораторен и решава една конкретна пречка.

Какво направиха през 2020 г.

В литиево-серната батерия положителният електрод е от сяра. Авторите казват, че такава батерия може да съхранява повече енергия от литиево-йонната, но при натоварване със сяра от 5 до 10 mg на квадратен сантиметър, нужно за практична употреба, работата бързо спада. Една причина е, че обемът на сярата се променя с около 78 % при цикъл, около осем пъти повече от електродите на литиево-йонните клетки. Структурата се разпада, а обичайните свързващи вещества покриват частиците и пречат на електролита да стигне до тях.

Екипът с водещи автори Махдохт Шайбани (Mahdokht Shaibani) и Майнак Мажумдер (Mainak Majumder) направи „електрод, понасящ разширение“. Електродът е 70 % колоидна сяра, 20 % въглерод и 10 % свързващо вещество – натриева карбоксиметилцелулоза. Прахът се смесва на сухо и се добавя малко вода, една трета от количеството, нужно за пълното разтваряне на свързващото вещество. Така то образува мостове между частиците, вместо да ги обвива, и оставя място за разширение.

Според статията натоварването достига 15 mg сяра на квадратен сантиметър, капацитетът надхвърля 1200 mAh на грам сяра, а на единица площ е около 19 mAh/cm². При 13 mg/cm² клетката дава около 1440 mAh/g, а при 5 mg/cm² около 1670. Клетките издържат над 200 цикъла при кулонова ефективност над 99 %. Осемслойни клетки тип „торбичка“ с размер около 80 × 50 mm дадоха 1490 mAh/g при 4,5 mg/cm².

Какво признават авторите

Тестовете са лабораторни: малки монетовидни клетки и торбички. Резултатите зависят от колоидната сяра, а кристалната дава неравномерна структура и лоши показатели. В клетките тип „торбичка“ литиевата повърхност е неравна и има подуване от газ. Авторите пишат, че това трябва да се реши, и посочват защитата на литиевия анод като отворен проблем. Циклите са при умерени токове – 0,1–0,2 C. Въглеродно покритата стъклена мембрана, която използват, добавя маса, а какво означава това за енергията на цялата клетка, статията не изяснява докрай.

Какво показаха следващите години

През 2025 г. Саед Яри (Saeed Yari) и колеги публикуваха в „Nature Communications“ преглед на 866 графики от 184 статии от 2019–2023 г., преизчислени като енергия на килограм на цялата клетка. Данните за клетки тип „торбичка“ са оскъдни, а изводите стъпват главно на монетовидни клетки. Най-добрите торбички в набора са между около 380 и 441 Wh/kg при малко електролит и натоварване 6,5–8,4 mg/cm². За клетките с малко електролит (под 5 µl/mg) и натоварване над 4 mg/cm² медианата е 298 Wh/kg. Електролитът е около 46 % от масата дори на най-добрата клетка. Натоварване над 7,5 mg/cm² се постига трудно, а капацитетът често спада още над около 6 mg/cm². Загубата на литий е основен път на износване. Повечето клетки тип „торбичка“ са тествани при 0,1–0,2 C и губят повече капацитет от монетовидните.

Прегледът на Мажид и колеги от 2024 г. свързва предимствата – висока теоретична енергия, по-евтини суровини, безопасност – с останалите проблеми: слабата електропроводимост и промените в обема на сярата, полисулфидния преход и ограничената практическа енергия. Преглед от 2025 г. на Уанг и колеги разглежда клетките с твърд електролит, които обещават по-висока енергия и безопасност, но също срещат трудности при практическо приложение.

В бизнеса Lyten заяви през август 2025 г., че произвежда литиево-серни батерии в Силициевата долина и ги продава на пазара на дронове и отбрана, и че се готви да ги изпрати до Международната космическа станция. Това е твърдение на самата компания, без данни за енергия на клетка. В прегледаните източници няма данни за смартфон с литиево-серна батерия.

Какво още ги спира

Част от пречките, назовани през 2020 г., се срещат и в анализа от 2025 г., и те са свързани с мащабирането. При преминаване от малки към по-големи клетки полисулфидите мигрират, сярата се слепва, анодът корозира и електролитът се изчерпва. Според анализа от 2025 г. в разглеждания електролит отлагането на литиев сулфид (Li₂S) спира при по-малко от около 2,4 µl електролит на mg сяра, така че по-нататъшният напредък изисква нови електролити. Литиевият анод остава проблем, а несъпоставимите методи на отчитане затрудняват сравнението между работите. Затова числата от лабораторен електрод не могат да се четат като срок за телефон или автомобил.

Източници

  1. Science Advances (Shaibani et al.): Expansion-tolerant architectures for stable cycling of ultrahigh-loading sulfur cathodes in lithium-sulfur batteries
  2. Nature Communications (Yari et al.): Performance benchmarking and analysis of lithium-sulfur batteries for next-generation cell design
  3. Nano Energy (Majid et al.): Recent progress towards the diverse practical applications of Lithium-sulfur batteries
  4. Communications Materials (Wang et al.): Assessing the practical feasibility of solid-state lithium–sulfur batteries
  5. Lyten: Lyten to acquire all remaining Northvolt assets in Sweden and Germany

Статията е подготвена от Редакцията на Knowledge.bg по научните публикации и сведенията на институциите, посочени в източниците. Ако откриете неточност, пишете ни на kontakt@knowledge.bg. Редакционна политика · Забелязахте грешка? Пишете ни на kontakt@knowledge.bg.