Литий-воздушные аккумуляторы потенциально могут превзойти обычные литий-ионные аккумуляторы, поскольку при том же весе они могут хранить значительно больше энергии. Однако их высокие эксплуатационные характеристики до сих пор оставались теоретическими, а срок службы остаётся слишком коротким.
В новом исследовании, китайская команда предложила добавлять в электролит растворимый катализатор. Он действует как окислительно-восстановительный посредник, который облегчает перенос заряда и препятствует пассивации электродов.
В отличие от литий-ионных аккумуляторов, в которых ионы лития «передвигаются» между двумя электродами, в литий-воздушных аккумуляторах (Li-O2) используется анод из металлического лития. При использовании аккумулятора положительно заряженные ионы лития растворяются и перемещаются к пористому катоду, через который проходит воздух.
Кислород окисляется и связывается с пероксидом лития (Li2O2). При зарядке кислород высвобождается, а ионы лития восстанавливаются до металлического лития, который оседает на аноде. К сожалению, теоретически высокая производительность таких аккумуляторов так и не стала реальностью.
На практике эффект, известный как перенапряжение, замедляет электрохимические реакции: образование и разложение нерастворимого Li2O2 происходит медленно, а его проводимость очень низкая. Кроме того, поры катода имеют тенденцию засоряться, а высокий потенциал, необходимый для образования кислорода, разлагает электролит и способствует нежелательным побочным реакциям. Из-за этого аккумуляторы теряют большую часть своей работоспособности уже после нескольких циклов зарядки/разрядки.
Команда под руководством Чжун-Шуая Ву из Даляньского института химической физики Китайской академии наук, сотрудничая с Сянкунем Ма из Даляньского морского университета, предложила добавить новую соль йодида имидазола (1,3-диметилимидазолия йодид, DMII) в качестве катализатора и окислительно-восстановительного медиатора для повышения производительности и срока службы.
Иодид-ионы (I−) в соли могут легко вступать в реакцию с образованием I3−, а затем снова распадаться (окислительно-восстановительная пара). В этом процессе они передают электроны кислороду (разрядка) и принимают их обратно (зарядка). Такой облегчённый перенос заряда ускоряет реакции, снижает перенапряжение катода и увеличивает разрядную ёмкость электрохимической ячейки.
Ионы DMI+ из соли содержат кольцо, состоящее из трёх атомов углерода и двух атомов азота. Это кольцо обладает свободно перемещающимися электронами и может «захватывать» ионы лития во время разряда и эффективно передавать их кислороду на катоде.
Кроме того, ионы DMI+ образуют на аноде ультратонкую, но очень стабильную плёнку, которая предотвращает прямой контакт между электролитом и поверхностью лития, сводя к минимуму разложение электролита и предотвращая побочные реакции. Это стабилизирует анод и увеличивает срок службы аккумулятора.
Электрохимические испытательные ячейки, созданной командой, оказались весьма многообещающими, продемонстрировав очень низкое перенапряжение (0,52 В), высокую циклическую стабильность в течение 960 часов и обратимое образование/разложение Li2O2 без побочных реакций.