Многие владельцы электромобилей мечтают о таком аккумуляторе, который мог бы обеспечить их транспортному средству более тысячи миль пробега на одной зарядке. Исследователи из Иллинойского технологического института (IIT) и Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE) разработали литий-воздушный аккумулятор, который может сделать эту мечту реальностью. Новая конструкция батареи может также в один прекрасный день обеспечить энергией самолеты и дальнемагистральные грузовики.
Основным новым компонентом литий-воздушной батареи является твердый электролит вместо обычного жидкого. Батареи с твердым электролитом не подвержены проблеме безопасности, связанной с жидким электролитом, используемым в литий-ионных и других типах батарей, который может перегреться и воспламениться.
Ларри Кертисс, заслуженный научный сотрудник Аргонны:
Литий-воздушная батарея имеет самую высокую прогнозируемую плотность энергии среди всех технологий аккумуляторов, которые рассматриваются для следующего поколения батарей после литий-ионных.
Что еще более важно, разработанная командой химия батареи с твердым электролитом потенциально может увеличить плотность энергии в 4 раза по сравнению с литий-ионными батареями, что означает увеличение дальности поездки.
Уже более десяти лет ученые из Аргонны и других мест работают над созданием литиевой батареи, использующей присутствующий в воздухе кислород — сказал Ларри Кертисс, заслуженный деятель Аргонны.
В прежних литий-воздушных аккумуляторах литий в металлическом литиевом аноде проходит через жидкий электролит и соединяется с кислородом во время разряда, образуя пероксид лития (Li2O2) или супероксид (LiO2) на катоде. Во время заряда пероксид или супероксид лития снова распадается на литий и кислород. Эта химическая последовательность накапливает и высвобождает энергию по требованию.
Новый твердый электролит состоит из керамического полимерного материала, изготовленного из относительно недорогих элементов в форме наночастиц. Это новое твердое вещество позволяет проводить химические реакции, в результате которых при разряде образуется оксид лития (Li2O).
Химическая реакция супероксида или пероксида лития включает только 1 или 2 электрона на молекулу кислорода, тогда как химическая реакция оксида лития включает 4 электрона. Больше сохраненных электронов означает более высокую плотность энергии — говорит химик из Аргонны Рашид Амин.
Новая литий-воздушная батарея — первая литий-воздушная батарея, в которой при комнатной температуре была достигнута реакция с четырьмя электронами. Она также работает на кислороде, поступающем из окружающей среды. Возможность работы на воздухе позволяет избежать необходимости использования кислородных баллонов, что было проблемой в предыдущих разработках.
Команда использовала множество различных методов, чтобы установить, что четырехэлектронная реакция действительно имеет место. Одним из ключевых методов была просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ) продуктов разряда на поверхности катода, которая проводилась в Центре наноразмерных материалов Аргонны, являющемся пользовательским центром Управления по науке Министерства энергетики. Изображения, полученные с помощью ТЭМ, позволили получить ценные сведения о механизме четырехэлектронного разряда.
Предыдущие испытательные литий-воздушные элементы страдали от очень короткого срока службы. Команда установила, что этот недостаток не относится к их новой конструкции батареи, создав и проработав испытательный элемент в течение 1000 циклов, продемонстрировав его стабильность при многократном заряде и разряде.
При дальнейшем развитии мы ожидаем, что наша новая конструкция литий-воздушной батареи также достигнет рекордной плотности энергии в 1200 ватт-часов на килограмм. Это почти в 4 раза лучше, чем у литий-ионных батарей — сказал Кертисс.
Это исследование было опубликовано в недавнем выпуске журнала Science. Авторы из Аргонны: Ларри Кертисс, Рашид Амин, Лей Ю, Цзяньго Вен, Тонгчао Лю, Сянь-Хау Ванг, Пол К. Редферн, Кристофер Джонсон и Халил Амин. Среди авторов из IIT — Мохаммад Асади, Мохаммадреза Эсмаейлирад и Ахмад Мосен Харзанди. Авторы из Иллинойсского университета Чикаго — Реза Шахбазиан-Яссар, Махмуд Тамадони Сарай, Наннан Шан и Анх Нго.
Исследование финансировалось Управлением автомобильных технологий Министерства энергетики и Управлением фундаментальных энергетических наук через Объединенный центр исследований в области хранения энергии.
Источник: electriccarsreport.com
