Литиево-серните батерии: опитът от 2020 г. и къде са те днес

През януари 2020 г. екип от университета Монаш с партньори от Института „Фраунхофер“ IWS в Дрезден публикува в „Science Advances“ статия за нов тип електрод за литиево-серни батерии. Новинарските заглавия я преведоха като батерия, която държи смартфон до пет дни. Такъв извод няма в самите числа: в статията капацитетът е даден на грам сяра и на квадратен сантиметър електрод, а не във време на работа на телефон. Опитът е лабораторен и решава една конкретна пречка.

Какво направиха през 2020 г.

В литиево-серната батерия положителният електрод е от сяра. Авторите казват, че такава батерия може да съхранява повече енергия от литиево-йонната, но при натоварване със сяра от 5 до 10 mg на квадратен сантиметър, нужно за практична употреба, работата бързо спада. Една причина е, че обемът на сярата се променя с около 78 % при цикъл, около осем пъти повече от електродите на литиево-йонните клетки. Структурата се разпада, а обичайните свързващи вещества покриват частиците и пречат на електролита да стигне до тях.

Екипът с водещи автори Махдохт Шайбани (Mahdokht Shaibani) и Майнак Мажумдер (Mainak Majumder) направи „електрод, понасящ разширение“. Електродът е 70 % колоидна сяра, 20 % въглерод и 10 % свързващо вещество – натриева карбоксиметилцелулоза. Прахът се смесва на сухо и се добавя малко вода, една трета от количеството, нужно за пълното разтваряне на свързващото вещество. Така то образува мостове между частиците, вместо да ги обвива, и оставя място за разширение.

Според статията натоварването достига 15 mg сяра на квадратен сантиметър, капацитетът надхвърля 1200 mAh на грам сяра, а на единица площ е около 19 mAh/cm². При 13 mg/cm² клетката дава около 1440 mAh/g, а при 5 mg/cm² около 1670. Клетките издържат над 200 цикъла при кулонова ефективност над 99 %. Осемслойни клетки тип „торбичка“ с размер около 80 × 50 mm дадоха 1490 mAh/g при 4,5 mg/cm².

Какво признават авторите

Тестовете са лабораторни: малки монетовидни клетки и торбички. Резултатите зависят от колоидната сяра, а кристалната дава неравномерна структура и лоши показатели. В клетките тип „торбичка“ литиевата повърхност е неравна и има подуване от газ. Авторите пишат, че това трябва да се реши, и посочват защитата на литиевия анод като отворен проблем. Циклите са при умерени токове – 0,1–0,2 C. Въглеродно покритата стъклена мембрана, която използват, добавя маса, а какво означава това за енергията на цялата клетка, статията не изяснява докрай.

Какво показаха следващите години

През 2025 г. Саед Яри (Saeed Yari) и колеги публикуваха в „Nature Communications“ преглед на 866 графики от 184 статии от 2019–2023 г., преизчислени като енергия на килограм на цялата клетка. Данните за клетки тип „торбичка“ са оскъдни, а изводите стъпват главно на монетовидни клетки. Най-добрите торбички в набора са между около 380 и 441 Wh/kg при малко електролит и натоварване 6,5–8,4 mg/cm². За клетките с малко електролит (под 5 µl/mg) и натоварване над 4 mg/cm² медианата е 298 Wh/kg. Електролитът е около 46 % от масата дори на най-добрата клетка. Натоварване над 7,5 mg/cm² се постига трудно, а капацитетът често спада още над около 6 mg/cm². Загубата на литий е основен път на износване. Повечето клетки тип „торбичка“ са тествани при 0,1–0,2 C и губят повече капацитет от монетовидните.

Прегледът на Мажид и колеги от 2024 г. свързва предимствата – висока теоретична енергия, по-евтини суровини, безопасност – с останалите проблеми: слабата електропроводимост и промените в обема на сярата, полисулфидния преход и ограничената практическа енергия. Преглед от 2025 г. на Уанг и колеги разглежда клетките с твърд електролит, които обещават по-висока енергия и безопасност, но също срещат трудности при практическо приложение.

В бизнеса Lyten заяви през август 2025 г., че произвежда литиево-серни батерии в Силициевата долина и ги продава на пазара на дронове и отбрана, и че се готви да ги изпрати до Международната космическа станция. Това е твърдение на самата компания, без данни за енергия на клетка. В прегледаните източници няма данни за смартфон с литиево-серна батерия.

Какво още ги спира

Част от пречките, назовани през 2020 г., се срещат и в анализа от 2025 г., и те са свързани с мащабирането. При преминаване от малки към по-големи клетки полисулфидите мигрират, сярата се слепва, анодът корозира и електролитът се изчерпва. Според анализа от 2025 г. в разглеждания електролит отлагането на литиев сулфид (Li₂S) спира при по-малко от около 2,4 µl електролит на mg сяра, така че по-нататъшният напредък изисква нови електролити. Литиевият анод остава проблем, а несъпоставимите методи на отчитане затрудняват сравнението между работите. Затова числата от лабораторен електрод не могат да се четат като срок за телефон или автомобил.