Литий-серные аккумуляторы для будущих космических программ

    На сегодняшний день, аккумуляторы в космических программах используются в основном как резервные источники питания, когда аппараты находятся в тени и не могут получать энергию от солнечных батарей, или в скафандрах для выхода в открытый космос. Но используемые сегодня типы аккумуляторов (Li-ion, Ni-H2) имеют ряд ограничений. Во-первых, они слишком громоздкие, так как предпочтение отдаётся не энергоёмкости, а безопасности, в результате множественные защитные механизмы уменьшению объёма совсем не способствуют. И во-вторых, современные аккумуляторы имеют температурные ограничения, а в будущих программах, в зависимости от местоположения, температуры могут варьироваться в диапазоне от -150 °C до +450 °C.

    Источник

    К тому же, не стоит забывать и повышенный радиационный фон. В общем, будущие аккумуляторы для космической отрасли должны быть не только компактными, долговечными, безопасными и энергоёмкими, но и работать при высоких или низких температурах, а также в условиях повышенного радиационного фона. Естественно, на сегодняшний день такой волшебной технологии не существует. Но тем не менее, существуют перспективные научные разработки, которые пытаются приблизится к требованиям для будущих программ. В частности, хотелось бы рассказать про одно направление в исследованиях, которое поддерживается NASA в рамкам программы Game Changing Development (GCD).

    Так как совместить все вышеперечисленные технические характеристики в одной батарейке-задача трудновыполнимая, главная цель NASA на сегодняшний день-получить более компактные, энергоёмкие, и безопасные аккумуляторы. Как же достигнуть этой цели?

    Начнём с того, что для значительного увеличения энергоёмкости на единицу объёма необходимы батарейки с принципиально новыми материалами для электродов, так как возможности литий-ионных аккумуляторов (Li-ion) ограничены ёмкостями материалов для катода (около 250 мАч/г для оксидов) и анода (около 370 мАч/г для графита), а также пределами напряжений, в которых электролит стабилен. И одна из технологий, позволяющая увеличить ёмкость, используя принципиально новые реакции взамен интеркаляции на электродах- это литий-серные аккумуляторы (Li-S), анод которых содержит металлический литий, а в виде активного материала для катода используется сера. Работа литий-серного аккумулятора в чём-то похожа на работу литий-ионного: и там, и там в переносе заряда участвуют ионы лития. Но в отличии от Li-ion, ионы в Li-S не встраиваются в слоистую структуру катода, а вступают с ним в следующую реакцию:

    2 Li + S -> Li2S

    Хотя на практике, реакция на катоде скорее выглядит так:
    S8 -> Li2S8 -> Li2S6 -> Li2S4 -> Li2S2 ->Li2S

    image

    Источник

    Основное преимущество такого аккумулятора — высокая ёмкость, превышающая ёмкость литий-ионных аккумуляторов в 2-3 раза. Но на практике не всё так радужно. При повторных зарядках, ионы лития оседают на аноде как попало, образуя металлические цепочки (дендриты), которые в конце концов приводят к короткому замыканию. К тому же, реакции между литием и серой на катоде приводят к большим изменениям объёма материала (до 80%), так что электрод быстро разрушается, да и сами соединения с серой-плохие проводники, поэтому в катод приходится добавлять много углеродного материала. И последнее, самое главное- промежуточные продукты реакции (полисульфиды) постепенно растворяются в органическом электролите и «путешествуют» между анодом и катодом, что приводит к очень сильному саморазряду.

    Но все вышеперечисленные проблемы пытается решить группа учёных из университета Мэриленда (UMD), которая и выиграла грант от NASA. Так как же учёные подошли к решению всех этих проблем? Во-первых, они решили «атаковать» одну из главных проблем литий-серных аккумуляторов, а именно, саморазряд. И вместо жидкого органического электролита, который, как было сказано выше, постепенно растворяет активные материалы, они использовали твёрдый керамический электролит, а точнее, Li6PS5Cl, который достаточно хорошо проводит ионы лития через свою кристаллическую решётку.

    Но если твёрдые электролиты решают одну проблему, они также создают и дополнительные трудности. К примеру, большие изменения объёма катода во время реакции могут привести к быстрой потере контакта между твёрдыми электродом и электролитом, и резкому падению ёмкости аккумулятора. Поэтому учёные предложили элегантное решение: они создали нанокомпозит, состоящий из наночастиц активного материала катода (LI2S) и электролита (Li6PS5Cl), заключённых в углеродную матрицу.

    image

    Источник

    Данный нанокомпозит имеет следующие преимущества: во-первых, распределение наночастиц материала, который меняется в объёме при реакции с литием, в углероде, объём которого практически не меняется, улучшает механические свойства нанокомпозита (пластичность и прочность) и уменьшает риск растрескивания. К тому же, углерод не только улучшает проводимость, но и не препятствует движению ионов лития, так как имеет также хорошую ионную проводимость. A за счёт того, что активные материалы наноструктурированы, литию не надо продвигаться на большие расстояния чтобы вступить в реакцию, и весь объём материала используется более эффективно. И последнее: использование такого композита улучшает контакт между электролитом, активным материалом, и проводящим углеродом.

    В результате учёные получили полностью твёрдый аккумулятор с ёмкостью около 830 мАч/г. Конечно, говорить о запуске такого аккумулятора в космос пока рано, так как работает такая батарейка в течении всего 60 циклов зарядки/разрядки. Но в тоже время, несмотря на такую быструю потерю ёмкости, 60 циклов- это уже значительное улучшение по сравнению с предыдущими результатами, так как до этого твёрдые литий-серные аккумуляторы не работали больше 20 циклов. Также следует отметить, что подобные твёрдые электролиты могут работать в большом диапазоне температур (к слову, лучше всего они работают при температурах выше 100 °С), так что температурные ограничения такого аккумуляторы будут скорее обусловлены активными материалами, нежели электролитом, что выгодно отличает такие системы от аккумуляторов, использующих в виде электролита органические растворы.

    Источники
    Nano Lett., 2016, 16 (7), pp 4521–4527
    interface.ecsdl.org/content/25/3/26
    Поделиться публикацией

    Комментарии 27

      0
      Ну блин… Ну серьезные люди и емкость в мАч… Ну это же ужас какой-то! А напряжение какое на аккумуляторе? А неравномерность спада напряжения какая?
      Емкость корректнее всего отображают ватт*часы!
        0
        А нельзя в качестве альтернативы использовать ионисторы?
          0
          Там саморазряд слишком сильный, примерно за месяц ионистор может полностью разрядиться.
            0
            Думаю, для большинства космических задач это не великая проблема. Спутникам, например, надо всего пару десятков минут работать в тени. В планетарных миссиях достаточно пережить ночь. Конечно, ночи везде разные, тем не менее, в большинстве случаев она длится меньше месяца.
              0
              Полностью вряд ли разрядится, так как саморазряд спадает по экспоненте, перезаряженный ионистор разряжается за минуты до номинального напряжения, с дальнейшим снижением напряжения и саморазряд падает.
              Но главная проблема, у ионисторов в 100 раз меньше емкость, 1 ампер*секунда скорее, а не ампер*час.
              0
              У ионисторов вроде всё гораздо хуже с соотношением плотность энергии на массу.
              0
              60 зарядов\разрядов пока ни о чем… да и температуры… а интересно, можно организовать замкнутый цикл с топливной ячейкой? Тратить ее, а затем «перезаряжать», восстанавливая исходные продукты. Например, водород-вода-водород.
                0
                Там, думаю, будут трудности с компактным размером устройства, так как для «перезарядки» вода -> водород требуется электролизер, а это дополнительные объёмы.
                  0

                  А как хранить водород?

                    0
                    Подозреваю, что только если в виде какого-либо относительно стабильного комплекса, либо в абсорбированном состоянии. Но оба варианта будут значительно увеличивать массу.
                    0
                    Есть батареи «горячего» типа, там в общем-то как раз такой принцип. Из расплавленного электролита при зарядке выделяется жидкий металл, который потом «сгорает», выделяя энергию. Натрий-серные и литий-серные батареи известны уже лет 40, но используются только в качестве буферных на электростанциях.
                      +1
                      Есть такие варианты. Например: Никель-водородный аккумулятор Гибрид аккумулятора с топливной ячейкой.
                      В т.ч. используются в космосе. Но и недостатков масса — у всех них низкий КПД (соотношение энергии полученной из аккумулятора по сравнению с потраченной при зарядке — обычно минимум половина энергии теряется за 1 цикл), в большинстве случае высокий(быстрый) саморазряд(с его учетом теряется еще больше энергии если между зарядкой и разрядом проходит существенное время).
                      Емкость обычно тоже не очень хорошая т.к. продукты реакций проблематично хранить, особенно если это газы и их хранение занимает много объема и/или массы.

                      На Земле у топливных элементов отличная энергоемкость потому что окислитель (кислород) можно не хранить, а брать по мере надобности из воздуха, но при замкнутом цикле приходится хранить все компоненты внутри устройства в какой-то компактной форме.
                      +2
                      Интересно ещё, как там у НАСА с супермаховиками дело продвигается. Потенциально это может быть реальным прорывом. У маховиков и диапазон температур огромный, и устойчивость к радиации, и деградации практически никакой, и циклов заряда-разряда эпическое количество, и гибкая подстройка мощности — ёмкости. Это помимо того, что их уже на современных материалах можно делать эффективнее химических аккумуляторов. А если маховик делать из графена, то и любое химическое топливо потенциально может за пояс заткнуть.
                        +1
                        У маховиков другие проблемы — момент импульса, а значит паразитный гироскопический эффект, что в космосе будет особенно важно.
                          +1
                          Если правильно сделать, то это будет не паразитный, а очень даже полезный гироскопический эффект.
                          В презенташке НАСА был концепт такого аккумулятора из четырёх гироскопов по направлению вершин тетраэдра. При одинаковой скорости вращения суммарный момент импульса получается равным нулю и никакого гироскопического эффекта на корабль он не оказывает. Но, если перекачивать энергию из одного маховика в другой и обратно, то можно практически на халяву менять ориентацию корабля. То есть использовать аккумулятор и для накопления энергии и как систему ориентации. Дабл профит!
                          +2
                          Да даже с просто маховиками для ориентации всё не очень — выходят из строя за несколько лет.
                            0
                            Механика — такая механика. Для этого НАСА планировало использовать магнитные подшипники, которые теоретически могут уменьшить механический износ деталей на порядки.
                              +1
                              Магнитные подшипники — оно хорошо, но для тяжёлых силовых девайсов они и энергии много жрут.
                              А её и так немного.
                                0
                                Вот такие детали и интересны, но фиг найдешь в открытом доступе. Какой будет саморазряд у такой системы от поддержки магнитных подшипников, как они будут справляться с манёврами и прочее…
                          0
                          А LiFePO4 не подходят?
                            0
                            LiFePO4- материал с особой структурой кристалла, куда встраивается литий. А в случае литий-серных аккумуляторов, литий вступает в реакцию с серой, отсюда и более высокие ёмкости.
                            +1
                            в будущих программах, в зависимости от местоположения, температуры могут варьироваться в диапазоне от -150 °C до +450 °C.

                            Для венероходов в 80-х разрабатывались аккумуляторы для работы при температурах около 400С с электролитом на расплавах солей. Электроника тоже разрабатывалась под эти температуры — на основе углерода, а не кремния.
                              0
                              Да, для Венеры эта система была бы идеальна. Такие аккумуляторы и сейчас разрабатываются для военных нужд. Единственно, они всё-таки не такие компактные.
                              0
                              То есть в теории можно построить венероход?
                                0
                                Даже не в теории — но в разработку технологий для него нужно вложить много миллиардов.
                                А больше эти технологии почти нигде и не нужны.
                                  0
                                  В теории может пригодится в высокотемпературных производствах. Хотя как-то сейчас обходятся.
                                    0
                                    Сейчас там внутрь только датчики пихают, а вся электроника — снаружи.

                              Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                              Самое читаемое