Сэндвичевые структуры дисульфида молибдена смогут улучшить перезаряжаемые батареи
Согласно последним исследованиям ученых из университета Канзаса крошечные сэндвичевые структуры из атомарных слоев молибдена и серы могут помочь улучшить аккумуляторы для электроники.
Доцент кафедры механической и ядерной энергетики Гуприт Синх и его исследовательская команда занимается модернизацией литий-ионных батарей. Команда была сосредоточена на изучении аккумулирования лития в слоях дисульфида молибдена, или MoS2, которые Синх описывает как «сэндвич» из одного атома молибдена между двумя атомами серы. В последнем исследовании, команда обнаружила, что обернутые в карбонитрид кремния нанолисты дисульфида молибдена демонстрируют более высокую стабильность в качестве электрода батареи с небольшой потерей емкости. Результаты совместной с другими участниками эксперимента работы опубликованы в Nature’s Scientific Reports.
В своем последнем исследовании команда Сингха обнаружила, что сэндвичевые структуры из дисульфида молибдена способна накапливать заряд более чем в два раза больший по сравнению с трехмерной структурой, о которой сообщалось ранее. Исследователи также обнаружили, что большая емкость этих нанослоев не сохраняется и падает после пяти циклов перезарядки.
По словам Синха, такое поведение характерно для всех литий-серных батарей, который используют серу в качестве одного из электродов. Это обусловлено склонностью серы к формированию промежуточных полисульфидов, которые растворяются в органическом электролите аккумулятора, что приводит к падению емкости. Ученые предполагают, что снижение емкости MoS2 батарей связано именно с этим явлением. Для того, чтобы уменьшить растворение серы в электролите, исследователи обернули слой дисульфида молибдена несколькими слоями карбонитрида кремния SiCN. Керамический слой является высокотемпературным стекловидным материалом и имеет гораздо более высокую химическую стойкость к жидким электролитам. Полученные «сэндвичи» показали высокую стабильность циркуляции ионов лития независимо от типа батареи.
После эксперимента исследователи разбирали и рассматривали электролитическую ячейку под электронным микроскопом, подтвердив защитные свойства карбонитрида кремния от механического и химического разложения в жидком органическом электролите.
Следующий шаг исследования — тестирование находки в условиях, близких к реальности, т.е. увеличение количества циклов зарядки/разрядки. Исследователи продолжли изучать сэндвичевые структуры дисульфида молибдена во время циклов перезарядки для получения массива данных для анализа и обобщения, чтобы в конечном итоге применить новый материал на практике.
Другое исследование, проведенное командой Синха, может помочь улучшить высокотемпературные покрытия для аэрокосмической и оборонной промышленности. Инженеры разрабатывают материалы покрытия для защиты конструкционных элементов, таких как лопасти турбины, от разрушающего воздействия высоких температур. Результаты исследования изложены в Journal of Physical Chemistry. Ученые показали, что при объединении слоев карбонитрида кремния и нитрида бора результирующий материал имеет высокую термическую устойчивость и высокую электропроводность, что само по себе очень удивительно, поскольку и карбонитрид кремния, и нитрид бора являются диэлектриками и обладают малой емкостью для литий-ионов. Дальнейший анализ показал, что электропроводность улучшена за счет формирования сети «свободного углерод», который присутствует в керамическом карбонитриде кремния. Это происходит только тогда, когда листы нитрида бора добавляются к жидкой полимерной фазе прекурсора карбонитрида кремния до его затвердевания.