Для владельцев электромобилей тревога дальности, страх перед отключением питания перед следующей зарядной станцией - реальна. Производители автомобилей, стремящиеся вывести электромобили на массовый рынок, годами искали альтернативы, которые могли бы хранить больше заряда, чем современные литий-ионные аккумуляторы.
Одним из вариантов является литий-воздушный, и группа исследователей изобрела новый тип катода, который, по их утверждению, может продлить срок службы таких батарей. В исследовании, опубликованном в журнале Applied Catalysis B: Environmental, команда из Южной Кореи и Таиланда описывает, как они наносили наноплаки из сульфида никеля и кобальта на графеновый катод, легированный серой. Результат: электрод, который может похвастаться как улучшенной электропроводностью, так и каталитической активностью.
«Это очень интересный подход к проектированию», - говорит Гарри Хостер, директор Energy Lancaster, американского исследовательского института, занимающегося энергетическими технологиями.
Батареи обычно генерируют электрическую энергию посредством окислительно-восстановительной реакции. В случае литиево-воздушных батарей литий от анода окисляется, а молекулы кислорода восстанавливаются на катоде. Полученный продукт представляет собой пероксид лития (Li2O2).
Предположительно, катод находится там, где происходит волшебство. Поскольку кислород может непрерывно подаваться из воздуха, а не храниться в ограниченных количествах внутри элемента, литиево-воздушные батареи теоретически могут обеспечить плотность энергии, в 10 раз превышающую плотность их литий-ионных собратьев. И чем больше перекиси лития накапливается на графитовом катоде, тем выше зарядная емкость аккумулятора.
По словам Хостера, модификация угольного катода серой облегчает прилипание пероксида лития к нему. «Атомы серы обеспечивают локальные пятна клея, точки крепления для вещей, к которым нужно прилипать», - говорит он.
Сера также обеспечивает дополнительные преимущества для батареи, говорит химик-физик Сангараджу Шанмугам из Корейского института науки и технологий имени Тэгу Кёнбука и один из соавторов статьи. Поскольку атомы серы намного больше по размеру по сравнению с их углеродными аналогами, легирование серой катода расширяет структуру пористой углеродной решетки, увеличивая его площадь поверхности. «Когда это происходит, электроны могут лучше перемещаться в графене, поэтому электрическая проводимость улучшается.
Покрытие поверхности катода наноразмерными хлопьями из сульфида никеля и кобальта обеспечивает дополнительный импульс за счет увеличения каталитической активности. Сера взаимодействует с металлическими участками в сульфиде никеля и кобальта, и между поверхностью графена и нанофлаками наблюдается сильное синергетическое взаимодействие.
Хлопья также образуют защитный слой между поверхностью катода и образующимся продуктом выброса пероксида лития, который обладает высокой коррозионной активностью. Результатом является значительно улучшенная цикличность батареи - чуть более 1700 часов или более двух месяцев - что, по словам Шанмугама, является «одним из сильных сторон» их изобретения. Удельная разрядная емкость также является «сверхвысокой» и составляет почти 14 200 миллиампер-час на грамм (мАч / г). В Корее ожидается патент на новую технологию.
«Материалы, которые они предложили, очень, очень интересные ... и похоже, что они первыми донесли это до сообщества», - говорит Хостер из Ланкастера. Но он осторожен в том, насколько оптимистичны результаты на самом деле.
Система должна быть проверена более надежно, говорит он. Чтобы правильно измерить электрокаталитическую активность, исследователи должны были выполнить циклическую вольтамперограмму (тип теста, при котором внешнее напряжение подается и изменяется, чтобы увидеть, как ток батареи изменяется соответственно) на высоких, а не низких скоростях. Кроме того, эксперимент по разряду, который они провели, является слишком мелким (остановка на конкретной емкости 1000 мАч / г), чтобы считаться надлежащим стресс-тестом, потому что «вы не производите большую часть побочных продуктов, которые вызывают выцветание батареи в в долгосрочной перспективе », - говорит Хостер.
Он также подчеркивает низкую эффективность зарядки аккумулятора, которая является мерой того, сколько энергии вы получаете по сравнению с энергией, которую вы тратите на ее зарядку. Потеря энергии может возникнуть в результате выделения тепла или нежелательных побочных реакций, которые происходят на электродах. Примерно на 65 процентов, это на 15-25 процентов ниже, чем мы ожидаем от литий-ионных аккумуляторов. Это одна из многих проблем, которые продолжают мешать использованию литиево-воздушных батарей. Другие включают, что делать с химически агрессивным побочным продуктом пероксида лития, который образуется, для удаления которого требуется высокое зарядное напряжение, он может разлагать электролит и впоследствии ограничивать срок службы батареи.
Чистый литиевый анод также создает проблему. Высоко реактивный литий может воспламениться при воздействии воды и других элементов. Тогда есть проблема самого воздуха. Хотя подача кислорода к батареям в лаборатории работает нормально, для электромобилей, работающих на дорогах, это невозможно. Целью является использование воздуха, но сначала вам необходимо удалить вредные для батареи примеси, такие как углекислый газ и водяной пар.
Эти проблемы в области развития в последние годы ослабили энтузиазм в отношении литиево-воздушных батарей, и такие компании, как IBM и Объединенный центр исследований в области накопления энергии, финансируемые США, отказались от своих исследований в пользу других типов батарей следующего поколения. Даже учреждение Фарадея, британское учреждение, вложившее 65 миллионов фунтов стерлингов в исследование аккумуляторов, решило инвестировать в литий-серные батареи по сравнению с литиево-воздушными батареями в своем последнем раунде финансирования, поскольку они считали, что первое «также рискованно, но более реалистично» говорит Хостер.
Подписывайтесь на канал — здесь будет много полезной информации, давайте попробуем не расставаться xD. Ставьте палец вверх — мне будет крайне приятно ощутить Вашу поддержку. Делитесь публикациями канала с друзьями и обсуждайте.
Источник: 20KV.RU