Связывающие свойства серы для безрастворительной изготовления высокоэффективных положительных электродов из серы и углерода без полимеров

Почему этот новый рецепт батареи важен

Литий‑ионные батареи питают наши телефоны, ноутбуки и электромобили, но их производство требует много энергии, дорого и связано с токсичными растворителями. В этом исследовании рассматривается другая химия батарей — литий–сера, которая обещает гораздо большую энергоёмкость при более низкой стоимости, используя серу, широко доступный промышленный побочный продукт. Исследователи нашли способ собрать серный электрод без каких‑либо жидких растворителей или полимерных связующих, позволяя самой сере выступать в роли «клея». Их подход может сделать будущие батареи дешевле, чище с точки зрения производства и более долговечными.

Проблемы современных фабрик по производству батарей

Большинство коммерческих батарей изготавливают с помощью «мокрого» процесса напыления суспензии. Порошки, которые хранят и проводят электричество, смешивают с полимерным связующим и растворяют в растворителе, формируя густую пасту, которую затем наносят на металлическую фольгу и высушивают в больших печах. Для литий–серных батарей этот метод имеет несколько недостатков. Растворитель часто токсичен и дорогостоящ в восстановлении, сушка суспензии потребляет значительное количество энергии, а сам полимерный связующий не проводит ни электроны, ни ионы, добавляя «мертвый» вес и сопротивление. Кроме того, циклы сушки и повторного увлажнения могут повредить деликатную пористую структуру, необходимую для эффективной работы серы, что подрывает преимущества этой перспективной химии.

Когда сера становится клеем

Команда поставила цель полностью исключить как растворитель, так и полимерное связующее из уравнения. Их ключевое наблюдение заключается в том, что сера, обычно рассматриваемая только как активный компонент, хранящий энергию, при правильной обработке может также выполнять роль структурного связующего. Сера размягчается при относительно низких температурах, значительно ниже своей точки плавления. При бережном нагреве смеси серы и пористого углерода с последующим прессованием на алюминиевую фольгу размягчённая сера течёт в меру, чтобы сцепить частицы друг с другом и прочно приклеиться к металлу. Тщательные эксперименты и компьютерные моделирования показывают, что примерно при 80 °C частицы серы деформируются и теснее упаковываются, резко уменьшая пустоты и формируя гладкий, связный слой — без необходимости в отдельном клее.

Создание более прочных электродов простым сухим прессованием

Чтобы реализовать эту идею на практике, исследователи сначала приготовили серно‑углеродный порошок, в котором часть серы заключена в крошечные пооры углерода, а дополнительная сера образует несколько более крупные частицы. Такая «двойная» структура способствует как электрическому контакту, так и механическому связыванию. Затем сухой порошок прямо распределяли по алюминиевой фольге и пропускали через нагретые валики. При комнатной температуре результатом получалась хрупкая, неровная плёнка. При 80 °C же плёнка становилась механически прочной, с более однородной внутренней пористой структурой и более прямыми путями для прохождения ионов. Рентгеновская визуализация и микроскопия показали, что электроды, прессованные при более высокой температуре, имели лучший контакт между частицами и с фольгой и впитывали жидкий электролит быстрее и равномернее, чем традиционно нанесённые плёнки с полимерными связующими.

Как новые электроды работают в реальных ячейках

Команда затем протестировала эти сухопрессованные серно‑углеродные электроды в монетных и мягких (pouch) ячейках. В тяжёлых условиях — при быстрой зарядке и разрядке и сотнях циклов — электроды, прессованные при 80 °C, явно превосходили как версии, прессованные при комнатной температуре, так и традиционные электродные плёнки, нанесённые суспензией с полимерным связующим. При умеренной загрузке серы оптимизированные сухие электроды обеспечивали примерно от 1300 до 600 миллиампер‑часов на грамм в широком диапазоне скоростей заряда и сохраняли обратимую ёмкость 932 миллиампер‑часа на грамм даже после 500 циклов. В отличие от них, суспензионно нанесённые электроды теряли ёмкость гораздо быстрее и демонстрировали рост внутреннего сопротивления. Микроскопия в процессе работы показала, что сухопрессованные электроды расширяются и сжимаются более равномерно, избегая растрескивания и отслаивания, от которых страдают традиционные конструкции.

Что это значит для будущих батарей

Для неспециалистов основное сообщение простое: эта работа показывает способ использовать серу одновременно как энергохранитель и как структурное связующее в электроде литий–серной батареи. Полагаясь на простой шаг сухого прессования вместо покрытий на основе растворителей и полимерных связующих, метод может сократить стоимость изготовления электродов более чем в два раза, резко снизить потребление энергии и выбросы, а также избежать опасных химикатов. При этом получаемые электроды служат дольше и хранят больше энергии на грамм по сравнению с традиционными аналогами. При адаптации к крупносерийному производству этот процесс без растворителей и связующих может помочь превратить высокоэнергетические литий–серные батареи в практичные, более устойчивые источники энергии для электромобилей и энергосистем.

Цитирование: An, Y., Kim, K., Lee, YJ. et al. Binding properties of sulfur to enable solvent-free fabrication of high-performance polymer-free sulfur-carbon positive electrodes. Nat Commun 17, 2360 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69097-6

Ключевые слова: литий–серные батареи, сухое изготовление электродов, серно‑углеродные катоды, безрастворительная обработка, материалы для накопления энергии