Графен помог спасти многообещающие серные батареи от быстрой смерти
Литий-серные аккумуляторы давно обещают больше энергии за меньшие деньги, но в лабораториях снова и снова упираются в одну неприятную проблему: часть серы превращается в растворимые соединения, уходит от катода и постепенно убивает батарею. Исследователи из Университета Тохоку и партнерских организаций предложили новый способ удержать эту химию под контролем: добавили в элемент тонкий гибридный слой из ковалентной органической структуры и графена.
Литий-серные батареи привлекают инженеров из-за дешевой и распространенной серы, а также из-за потенциально более высокой плотности энергии по сравнению с нынешними литий-ионными аккумуляторами. Во время разряда сера проходит несколько стадий превращения и образует литиевые полисульфиды. Главная беда начинается, когда эти промежуточные соединения растворяются в электролите, проходят через сепаратор и достигают литий-металлического анода. Такой «полисульфидный шаттл» запускает побочные реакции, расходует активный материал, ускоряет саморазряд и снижает емкость после каждого цикла.
Команда создала материал TUS-44 и объединила его с проводящим графеном. Получившийся слой TUS-44@G разместили на полипропиленовом сепараторе. Органическая структура работает как химическая ловушка для полисульфидов, а графен помогает быстро переносить электроны. В результате слой не просто механически блокирует нежелательные соединения, а направляет ход реакций внутри аккумулятора.
В TUS-44 ученые заложили несколько типов активных участков. Атомы азота в иминных группах помогают связывать ионы лития, кислород в краун-эфирных фрагментах поддерживает ионную координацию и перенос, а богатые серой фрагменты тетратиафульвалена участвуют в перераспределении заряда и ускоряют серные окислительно-восстановительные реакции. Грубо говоря, новый межслой одновременно удерживает проблемные молекулы, проводит заряд и помогает батарее быстрее проходить нужные химические стадии.
Испытания показали высокие для литий-серной химии показатели. Ячейки с TUS-44@G выдали обратимую емкость 1455,7 мА·ч/г при 0,2 А/г, сохранили 773 мА·ч/г при 10 А/г и теряли лишь 0,034% емкости за цикл на протяжении 1000 циклов при 5 А/г. Пакетный элемент с тем же межслоем достиг начальной плотности энергии около 674 Вт·ч/кг при 0,05 А/г.
Работа не означает скорый выход литий-серных аккумуляторов на рынок. Результаты пока показывают потенциал конкретной архитектуры и требуют проверки в более жестких прикладных условиях. Но подход выглядит ценным именно потому, что бьет не по одному симптому, а по нескольким слабым местам литий-серной химии сразу: миграции полисульфидов, медленному переносу заряда и нестабильности промежуточных соединений. Статья с описанием материала вышла в журнале Small 16 июня 2026 года.