Литий-серные батареи (LSB) могут перевернуть энергетику: они дешевле литий-ионных и теоретически способны хранить больше энергии. Но есть проблема — «эффект шаттла», когда сера „убегает“ с электрода, оседая бесполезным осадком, а сам аккумулятор быстро деградирует.

Ученые из Чжэнчжоу и Нанькайского университетов под руководством профессора Чжэнь Чжоу нашли неожиданное решение — трисульфатные радикалы (TRs). Эти неуловимые частицы ускоряют химические реакции внутри батареи, заставляют серу работать на полную и даже меняют способ ее осаждения, предотвращая преждевременный износ.

Трисульфатные радикалы (TRs) — короткоживущие частицы из трех атомов серы, которые возникают при разряде батареи. Они как «курьеры»: переносят электроны между серой и литием, ускоряя реакции. Без них процесс идет медленнее, а часть серы „застревает“ в бесполезных промежуточных формах.

Как это работает

• TRs — скрытые посредники. Они возникают при разряде батареи и помогают сере быстрее превращаться в сульфид лития (Li₂S), который и запасает энергию. Без них часть серы остается «безработной», снижая емкость.
• 3D-осаждение. Обычно Li₂S оседает плотной пленкой, блокируя электрод. TRs заставляют его формироваться пористым слоем — как губка, сквозь которую легко проходят ионы.
• Ускорение реакций. TRs сокращают энергопотери при зарядке, делая батарею эффективнее.

Как удержать эти капризные радикалы

• Растворители-помощники. Например, диметилсульфоксид (DMSO) стабилизирует TRs, но разъедает литиевый анод. Ученые смешивают его с эфирными растворителями — компромисс между стабильностью и безопасностью.
• Катализаторы. Дефицитный оксид вольфрама (WO₃₋ₓ) или сульфид ванадия (VS₂₋ₓ) притягивают TRs, не давая им «разбежаться», и дополнительно ускоряют реакции.
• Углеродные ловушки. Пористый азотированный углерод (NPC) работает как губка для TRs, продлевая жизнь батареи.

Как их обнаружить

• ЭПР-спектроскопия — ловит даже следовые количества TRs.
• УФ-спектры и рамановская микроскопия показывают, как радикалы ведут себя в реальном времени.
• Рентгеновская спектроскопия раскрывает их структуру на атомном уровне.

Что дальше

Нужно сделать TRs стабильнее и найти материалы, которые не будут конфликтовать с литием. Компьютерное моделирование поможет понять их поведение глубже. Если удастся масштабировать технологию, LSB выйдут на рынок — от смартфонов до электросетей.

Результаты опубликованы в издании Nano-Micro Letters.

Если технология выстрелит, мы получим батареи с в 2–3 раза большей емкостью, чем у литий-ионных, при снижении стоимости  (сера дешевле кобальта). Для электромобилей это дальность пробега 1000+ км без удорожания, для энергосетей — хранение солнечной энергии без гигантских затрат. Проблема в деталях: пока TRs капризны, а DMSO токсичен. Но если решить эти вопросы, LSB станут «убийцами» Li-ion.

Отметим, что исследование фокусируется на лабораторных условиях, где TRs работают идеально. Но в реальной батарее, при перепадах температур и нагрузок, их поведение может быть непредсказуемым. Например, агрессивные растворители ускорят коррозию анода, а дешевые углеродные матрицы не обеспечат стабильности. Авторы умалчивают о себестоимости катализаторов вроде WO₃₋ₓ — если их синтез сложен, вся экономия на сере нивелируется.

Ранее российские ученые создали экологичный акккумулятор на основе хинонов.