Литий-серный аккумулятор

Литий-серный аккумулятор (сокращённо — Li-S, ЛСА) — вторичный химический источник тока, в котором катод жидкий с содержанием серы отделён от электролита специальной мембраной.

Литий-серный аккумулятор
Схематический рисунок ЛСА в ходе разряда
Удельная энергоёмкость	250-500 Вт·ч/кг
Долговечность (циклы)	>1000
Электродвижущая сила	1,7-2,5 В

Показатели

• Теоретическая удельная энергоёмкость: до 2600^[1] Вт·ч/кг (до 9360 кДж/кг)
• Удельная энергоёмкость: 250–500 Вт·ч/кг (900-1800 кДж/кг)
• Удельная энергоплотность: 218^[2] Вт·ч/дм³ (785 кДж/дм³)
• Удельная плотность конструкции: н/д кг/дм³
• Количество циклов заряд-разряд до потери 20% ёмкости: 1000^[3] (1500 без потерь ёмкости, при токах 0,05-1 С^[4])
• Срок хранения: н/д лет
• Саморазряд при комнатной температуре: н/д % в месяц
• Напряжение: 2.1^[2][5] В; 1,7-2,5^[4] В
• Удельная мощность: н/д Вт/кг (при разряде током н/д С)
• Диапазон рабочих температур: от -40°C^[1]
• КПД: н/д %
• Стоимость: достижима менее $100/кВт·ч^[4] (10 Вт⋅ч/$)

Устройство и принцип работы

Аккумулятор сделан многослойным, между анодом и катодом расположены анодные и катодные мембраны и слой электролита. Конструкция такого аккумулятора схожа с литий-ионными аккумуляторами, однако, в отличие от него, литий-серный аккумулятор использует вместе с литиевым анодом серосодержащий катод, за счёт чего увеличивается его удельная зарядовая ёмкость. Другая особенность Li-S — возможность использовать жидкий катод, увеличивая таким образом плотность тока через него^[5].

Электро-химическая реакция

Реакция литий-серного аккумулятора совпадает с реакцией натрий-серного аккумулятора, только в данном случае роль натрия выполняет литий^[6]:

Разряд

S₈ → Li₂S₈ → Li₂S₆ → Li₂S₄ → Li₂S₃

Заряд

Li₂S → Li₂S₂ → Li₂S₃ → Li₂S₄ → Li₂S₆ → Li₂S₈ → S₈

Оценка

Примечательна удельная энергоёмкость литий-серных аккумуляторов, составляющая уже у первых образцов до 300 Вт·ч/кг^[5]. К другим достоинствам литий-серного аккумулятора можно отнести отсутствие необходимости использовать компоненты защиты, низкая себестоимость, широкий диапазон рабочих температур и общую экологическую безопасность^[1].

К недостаткам литий-серного аккумулятора следует отнести очень короткое время жизни (всего 50-60 циклов заряд-разряд)^[2]. Однако, последние образцы имеют долговечность 1000 и более циклов^[7][8][3][4].

История

Разработка

Первые образцы подобных аккумуляторов были разработаны в 2004 году компанией Sion Power из США. В 2006 эта компания представила опытный образец аккумулятора размером 11×35×55 мм и ёмкостью 2,2 А⋅ч при напряжении 2,1 В^[2][9].

В результате исследований, команде ученых из Стэнфорда удалось стабилизировать время жизни на уровне 100 циклов заряд-разряда, при падении ёмкости на 10-20% от изначальной. Однако примененный учеными способ (добавление полиэтиленгликоля, полуокисленного графена и микрочастиц сажи) приводит к очень высокому разбросу показателей катодов - лучшие из них теряют 10% ёмкости, худшие — 25%^[10].

В 2013-м году учёными из Лаборатории Беркли(США) достигнута энергоёмкость 500 Вт·ч/кг и около 250 Вт·ч/кг при заряде/разряде токами 0,05 и 1 C соответственно; долговечность при этом составила не менее 1500 циклов заряда-разряда без потери ёмкости^[4].

Использование

Именно такой тип аккумуляторов использовался в августе 2008 года при рекордно высоком и продолжительном полёте на самолёте на солнечных батареях^[11].