Ученые разработали рабочий лабораторный демонстрационный образец литиево-кислородной батареи, которая обладает очень высокой энергетической плотностью, эффективностью более 90% и, на сегодняшний день, может быть перезаряжена более 2000 раз, показывая, как можно решить ряд проблем, сдерживающих разработку этих устройств.
Литий-кислородные, или литий-воздушные, батареи были названы "конечной" батареей из-за их теоретической плотности энергии, которая в десять раз превышает плотность энергии литий-ионного аккумулятора. Такая высокая плотность энергии была бы сопоставима с плотностью энергии бензина - и позволила бы электромобилю с аккумулятором, который стоит в пять раз дороже и весит в пять раз больше тех, кто в настоящее время на рынке, ехать из Лондона в Эдинбург на одной зарядке.
Однако, как и в случае с другими батареями следующего поколения, необходимо решить ряд практических проблем, прежде чем литиево-воздушные батареи станут жизнеспособной альтернативой бензину.
Теперь исследователи из Кембриджского университета продемонстрировали, как можно преодолеть некоторые из этих препятствий, и разработали лабораторный демонстратор литиево-кислородной батареи, обладающей большей емкостью, повышенной энергоэффективностью и улучшенной стабильностью по сравнению с предыдущими попытками.
Нанотехнологии нам помогут
Их образец использует высокопористый, "пушистый" углеродный электрод, изготовленный из графена (состоящий из одноатомных листов атомов углерода), и добавки, которые изменяют химические реакции при работе в батарее, делая ее более стабильной и эффективной. Хотя результаты, многообещающие, исследователи предупреждают, что практическая литиево-воздушная батарея все еще остается по крайней мере через десять лет.
Многие из технологий, которые мы используем каждый день, становятся все меньше, быстрее и дешевле с каждым годом, за исключением батарей. Помимо возможности использования смартфона в течение нескольких дней без необходимости зарядки, проблемы, связанные с усовершенствованием аккумуляторов, сдерживают широкое внедрение двух основных новых технологий: электромобилей и систем хранения солнечной энергии в масштабах сети.
В самом простом виде батареи состоят из трех компонентов: положительного, отрицательного электродов и электролита.
В литий-ионных батареях, используемых в ноутбуках и смартфонах, отрицательный электрод выполнен из графита (форма углерода), положительный электрод - из оксида металла, например, оксида кобальта лития, а электролит - это соль лития, растворенная в органическом растворителе. Действие батареи зависит от перемещения ионов лития между электродами. Литий-ионные батареи легкие, но их емкость с возрастом уменьшается, а их относительно низкая плотность энергии означает, что они нуждаются в частой перезарядке.
В течение последнего десятилетия исследователи разрабатывали различные альтернативы литий-ионным батареям, и литиево-воздушные батареи считаются лучшими в аккумулировании энергии следующего поколения из-за их чрезвычайно высокой плотности энергии. Однако предыдущие попытки работать с образцами имели низкую эффективность, низкую скорость работы, нежелательные химические реакции и могут быть переработаны только в чистом кислороде.
Разработанные химикаты сильно отличаются от предыдущих попыток использовать неводные воздушно-литиевые батареи на основе гидроксида лития (LiOH), а не перекиси лития (Li2O2). С добавлением воды и использованием йода лития в качестве "медиатора" их аккумулятор показал гораздо меньше химических реакций, которые могут привести к гибели клеток, делая их гораздо более стабильными после многократных циклов заряда и разряда.
Точно спроектировав структуру электрода, превратив его в высокопористую форму графена, добавив йодистый литий и изменив химический состав электролита, исследователи смогли сократить "разрыв напряжения" между зарядом и разрядом до 0,2 вольт. Небольшой разрыв напряжения равен более эффективной батарее - предыдущие версии литий-ионных батарей сумели сократить разрыв до 0,5 - 1,0 вольт, тогда как 0,2 вольт ближе к литий-ионным батареям, что соответствует энергетической эффективности 93%.
Высокопористый графеновый электрод также значительно увеличивает производительность образца, хотя и с определенной скоростью заряда и разряда. Другие вопросы, которые еще предстоит решить, включают в себя поиск способа защиты металлического электрода, чтобы он не образовывал ветвистых литиевых металлических волокон, известных как дендриты, которые могут вызвать взрыв батарей при их чрезмерном росте и коротком замыкании батареи.
Кроме того, образец может быть переработан только в чистом кислороде, а окружающий нас воздух также содержит углекислый газ, азот и влагу, которые обычно вредны для металлического электрода.