Разработан пористый материал, который значительно улучшает литий-серные батареи

В порах этого радикального органического каркаса полисульфиды прочно удерживаются, что предотвращает их утечку обратно в батарею и сокращение срока службы. Автор: Сицзя Цао / HZB

Команда под руководством профессора Янь Лу (HZB) и профессора Арне Томаса (Технический университет Берлина) разработала материал, который повышает ёмкость и стабильность литий-серных батарей. Материал основан на полимерах, образующих каркас с открытыми порами (известный как радикально-катионные ковалентные органические каркасы или COF). В этих порах происходят каталитически ускоренные реакции, прочно удерживающие полисульфиды, которые сокращают срок службы батареи.

Некоторые экспериментальные анализы проводились на линии BAMline в BESSY II. Исследование опубликовано в Journal of the American Chemical Society.

Кристаллические каркасные структуры из органических полимеров представляют собой особо интересный класс материалов. Они характеризуются высокой пористостью, сравнимой с губкой, но с порами размером всего в несколько нанометров. Эти материалы могут проявлять специальные функциональные возможности, что делает их интересными для определённых применений в устройствах электрохимического накопления энергии.

Например, они могут выступать в качестве «хозяев» для серных соединений, таких как полисульфиды, в электродах литий-серных батарей. Идея заключается в том, что полисульфиды могут связываться с внутренними поверхностями пор в структурах COF и реагировать там, чтобы снова генерировать элементарную серу. Однако до сих пор это работало не совсем правильно.

Новый COF

Команда продемонстрировала значительный прогресс с новым материалом, который состоит из тетратиафульваленовых единиц ([TTF]₂^•+) и трисульфидных радикальных анионов (S₃^•-), соединённых через бензотиазол (R-TTF^•+-COF).

«Неспаренные электроны играют важную роль в микро/мезопорах COF», — объясняет профессор Лу. «Они способствуют делокализованным π-орбиталям, что облегчает перенос заряда между слоями и, таким образом, улучшает каталитические свойства».

Комбинация экспериментов

В высококомплексном исследовании команда выяснила центральную роль радикальных мотивов в катализе реакций восстановления серы.

Для исследования учёные изучили материалы COF в литий-серных элементах с помощью спектроскопии ЯМР в твёрдом состоянии (ssNMR), электронного спинового резонанса (EPR), а также провели in situ рентгеновскую томографию на линии BAMline в BESSY II для более точной характеристики внутренних пор. Они объединили эти экспериментальные результаты с теоретическими расчётами для интерпретации результатов.

«Это позволило нам показать, что радикальные катионы [TTF]₂^•+ действуют как каталитические центры, которые связывают LiPS и облегчают удлинение и разрыв связей S−S», — говорит Сицзя Цао, аспирант в команде профессора Лу.

Значительное улучшение

Результат впечатляет: производительность литий-серной батареи значительно улучшается при использовании нового материала R-TTF^•+-COF. Срок службы литий-серных батарей увеличивается до более чем 1500 циклов с потерей ёмкости всего 0,027% за цикл. Такая долговечность литий-серных батарей ещё не достигалась с материалами COF или другими чисто органическими катализаторами. Обычно литий-серные батареи демонстрируют менее 1000 циклов, согласно отчётам последних лет.

«Интеграция таких радикальных каркасных структур в литий-серные батареи показывает большие перспективы», — говорит профессор Лу. Кроме того, существует широкий спектр возможностей для дальнейшей оптимизации. Электронные свойства каркаса и каталитическая активность меняются в зависимости от того, какие молекулы используются в качестве радикалов. Тем не менее, необходимы дальнейшие исследования COF со стабильными радикальными строительными блоками, специально предназначенными для катализа реакций восстановления серы.

Больше информации: Сицзя Цао и др., Радикально-катионный ковалентный органический каркас для ускорения конверсии полисульфидов в долговечных литий-серных батареях, Journal of the American Chemical Society (2025). DOI: 10.1021/jacs.5c09421

Источник: Объединение имени Гельмгольца немецких исследовательских центров

ИИ: Это исследование демонстрирует важный шаг вперёд в развитии литий-серных батарей, которые считаются перспективной альтернативой литий-ионным благодаря более высокой теоретической плотности энергии. Увеличение срока службы до 1500 циклов с минимальной деградацией — это серьёзное достижение, которое может приблизить коммерциализацию этой технологии.