Литиево-воздушные батареи снова получили шанс на практическое будущее

01.11.2015

Впервые концепция литиево-воздушных или литиево-кислородных батарей (Lithium-air battery) была предложена ещё в 70-х годах прошлого столетия в качестве источника питания для электромобилей. В 2000-х годах к ней снова возник интерес в связи с необходимостью разработки новых возобновляемых источников энергии.

Привлекательность идеи литиево-кислородных батарей в том, что в теории они могут обладать чрезвычайно высокой плотностью энергии. Эта величина характеризует количество энергии, которое может хранить батарея на единицу своего веса.

Конструкция литиево-воздушных батарей и состав электрохимических элементов могут быть различными. Но принцип их работы основан на том, что литиевый анод взаимодействует с кислородом воздуха. Металл окисляется с образованием ионов и электронов. Электроны отправляются во внешнюю цепь, превращаясь в генерируемое электричество, а ионы лития мигрируют через электролит к катоду из пористого углеродного материала.

Ввиду того, что окислитель находится в окружающем воздухе, а не внутри батареи, а металлический литий имеет низкую плотность, такая система теоретически может сохранить и затем выдать столько же энергии на килограмм своего веса, что и бензиновый двигатель. Теория даёт надежду, что когда-нибудь благодаря литиево-воздушным батареям электромобили смогут проезжать по 800 километров без подзарядки.

К сожалению, на практике такой плотности энергии чрезвычайно сложно достичь и многие специалисты отказались от дальнейших попыток. Главной проблемой аккумуляторов этого типа оказалась их недолговечность. Дело в том, что в ходе химических превращений образуются побочные продукты, которые засоряют электроды и могут привести даже к короткому замыканию. Максимальная продолжительность функционирования для таких батарей, составляла всего несколько десятков циклов заряд-разряд.

Микроскопическое изображение электрода из высокопористого графена (черный), который находится в окружении частиц гидроксида лития (розовые), которые образуются при разряде аккумулятора. (Фото T. Liu et al. Science, 2015)

Но учёные не оставляли попытки побороть недостатки концепции и недавно команда исследователей из Кембриджского университета, работающая под руководством профессора Клер Грей (Clare Grey), разработала очередной прототип литиево-воздушной батареи с рядом нововведений.

Во-первых, в качестве электролита учёные использовали органический растворитель диметоксиэтан с добавлением йодида лития. Благодаря этому во время реакции ионов лития с кислородом на катоде образуется гидроксид лития, который легко разлагается при подзарядке батареи. (В более ранних прототипах на этом этапе происходило образование пероксида лития, который не разлагался и засорял катод.)

Ещё одной проблемой более ранних версий аккумулятора была высокая реакционная способность лития, который взаимодействовал с электролитом и разрушал его. В результате продукты этих реакций выводили из строя анод. Состав нового электролита позволяет избежать и этой загвоздки.

Нововведением стал и материал катода. Учёные использовали для его создания высокопористый графен, который также значительно увеличил ёмкость батареи, но только для определённой скорости заряда и разряда.

В пресс-релизе Кембриджа профессор Грей отмечает, что аккумулятор её команды способен отрабатывать более 2000 циклов заряд-разряд при незначительном снижении производительности и энергоэффективности около 93%. По мнению исследователей, их ячейка уже может хранить в 5 раз больше энергии, чем аналогичная в существующих аккумуляторах, например, для электромобилей Тесла.

Учёным удалось далеко продвинуться и отчасти вернуть надежду на эффективное использование литиево-воздушных батарей за пределами научно-исследовательских лабораторий. Но сделать предстоит ещё очень многое. В частности одна из ближайших для решения проблем – это образование на аноде литиевых веретенообразных волокон, которые могут привести к взрыву аккумулятора.

Кроме этого, новый прототип, как и его предшественники способен работать пока только в атмосфере чистого кислорода, поскольку такие компоненты воздуха, как углекислый газ, азот и влага оказывают негативное влияние на металлический электрод.

"Предстоит провести ещё много фундаментальных исследований, для того чтобы доделать некоторые конструкционные моменты, — подводит промежуточные итоги Грей. — Текущие результаты захватывающие, и мы показали, что существуют решения для задач, которые кому-то могли показаться безнадёжными".

Более подробно с разработками учёных из Кембриджского университета и их прототипом литиево-воздушной батареи можно ознакомиться, прочитав статью, которая была опубликована в журнале Science.

Источник: http://www.vesti.ru/doc.html?id=2682048