Літій-повітряні акумулятори витримали 700 циклів перезарядки

Після кожного з циклів зарядки-розрядки акумулятора задіяним залишаються приблизно 99,97 відсотка літію.

Фотографія поверхні анода літій-повітряної батареї, покритого захисним шаром / фото M. Asadi et al./ Nature

Американські хіміки вперше створили ефективний літій-повітряний акумулятор, який витримує 700 циклів зарядки-розрядки, що можна порівняти з показниками сучасних літій-іонних акумуляторів, які працюють без значного зниження ємності від 400 до 1200 циклів.

Цього вдалося досягти завдяки використанню захисного покриття на літієвому аноді, а також спеціально підібраних складів катода і електроліту в електрохімічної осередку, пише N + 1 з посиланням на Nature.

Для підвищення ефективності роботи акумуляторів вчені намагаються не тільки покращувати існуючі схеми електрохімічних осередків за рахунок модифікації складу та структури електродів або електроліту, а й шукають інші більш вигідні окислювально-відновні реакції, які відбуваються при зарядці і розрядці акумулятора.

Читайте також Австралійські вчені створили протонний акумулятор, який може замінити літій-іонні

Одним з найбільш перспективних варіантів заміни найбільш популярним зараз літій-іонним батареям вважаються літій-повітряні хімічні джерела струму. Ці батареї засновані на реакції літію з киснем з утворенням пероксиду літію Li2O2, і з теоретичних оцінками мають максимальну з відомих батарей питомою енергією - близько 40 мегаджоулей на кілограм, що приблизно в 5 разів більше, ніж у сучасних літій-іонних акумуляторів .

Основна проблема літій-повітряних батарей - утруднена робота в умовах хімічного складу повітря. Ефективні літій-кисневі батареї з використанням чистого кисню вже вдавалося отримати, проте вони не можуть застосовуватися на практиці і мають підвищену вибухонебезпечність. У разі ж присутності в газовому середовищі азоту, вуглекислого газу і води продукти побічних реакцій забруднюють поверхню електродів і помітно знижують час роботи акумулятора, і вже після 10-20 циклів зарядки-розрядки батарея перестає працювати.

Для вирішення цієї проблеми група американських електрохіміків під керівництвом Аміна Салехі-Ходжіна (Amin Salehi-Khojin) з Іллінойського університету в Чикаго запропонувала нову схему літій-повітряної електрохімічної комірки, яка дозволяє обмежити інтенсивність побічних реакцій на електродах і підвищити таким чином час ефективної циклічної роботи акумулятора .

Для цього вчені використовували два підходи. По-перше, на поверхню літієвого анода батареї було нанесено покриття на основі вуглецю і карбонату літію. Крізь такий шар проходять тільки іони літію, таким чином сам анод виявляється захищений від впливу атмосфери. По-друге, в якості катода було запропоновано використовувати Наноструктуровані дисульфід молібдену, який служить каталізатором реакції відновлення кисню. Електролітом ж у запропонованій архітектурі електрохімічної комірки служила суміш диметилсульфоксида з іонної рідини на основі тетрафторборатів (EMIM-BF4).

Для перевірки циклічної роботи запропонованої схеми акумулятора дослідники провели експеримент по багаторазовій перезарядку з використанням модельної газової суміші, склад якої відповідав складу повітря. Крім електрохімічних вимірювань, для дослідження процесів хімічної пасивації електродів автори роботи за допомогою мікроскопії та кількох спектрометричних методів також визначали їх структуру і хімічний склад після кожних 5 циклів.

Мікрофотографії поверхні катода після першої і 250-й розрядки (a і с), після першої і 250-й зарядки (b і d) / фото M. Asadi et al./ Nature

Виявилося, що складена таким чином літій-повітряна батарея витримує не менше 700 циклів перезарядки без помітного падіння ємності, хімічний склад електродів при цьому практично не змінюється. За словами авторів роботи, після кожного з циклів зарядки-розрядки акумулятора задіяним залишаються приблизно 99,97 відсотка літію.

Читайте також Вчені створили літій-іонні акумулятори, здатні працювати при температурі до -70 градусів

Ефективність роботи запропонованої схеми акумулятора вчені також підтвердили за допомогою чисельних розрахунків методом теорії функціонала щільності, вивчивши процес каталізу реакції відновлення кисню на краях наночастинок дисульфіду молібдену, а також ймовірність взаємодії води і вуглекислого газу з утворюється в осередку пероксидом літію.

Вчені стверджують, що це фактично перший ефективно працюючий прототип літій-повітряного акумулятора, який здатний на таку довгу циклічну роботу. Тому запропонована архітектура електрохімічної комірки, на думку авторів роботи, - дуже важливий крок на шляху до створення літієвих джерел струму нового покоління зі значно більш високими, ніж у нинішніх акумуляторів, показниками питомої щільності енергії.

Якщо літій-повітряні батареї - поки тільки можливе майбутнє електрохімічних джерел струму, то найбільш популярні з сучасних акумуляторів - літій-іонні батареї.

Якщо ви знайшли помилку, видiлiть її мишкою та натисніть Ctrl + Enter