В рамках масштабного перехода к накопителям энергии нового поколения исследователи создали литий-воздушную батарею, которая может составить конкуренцию другим аккумуляторам по плотности энергии, обеспечивая в четыре раза большую емкость, чем современные литий-ионные аккумуляторы. Эта передовая разработка ученых Иллинойского технологического института и Аргоннской национальной лаборатории основана на осуществлении четырехэлектронной химической реакции, чего никогда ранее не удавалось достичь в литий-воздушной батарее, работающей при комнатной температуре.
Комментируя эту инновацию, американские эксперты указывают на ее важность в связи с тем, что большинство аккумуляторов на основе лития способны использовать только одно- или двухэлектронные реакции, что ограничивает количество энергии, которую они могут накапливать. Если ранее традиционные литий-воздушные аккумуляторы производили супероксид лития (LiO₂) или пероксид лития (Li₂O₂), которые ограничивали выработку энергии, то новая конструкция батареи превосходит этот предел, позволяя образовывать и разлагать оксид лития (Li₂O) — процесс реакции, который позволяет накапливать гораздо больше энергии.
Ключевым моментом в этом прорыве является, по мнению экспертов, разработка твердотельного электролита, в который встроены наночастицы, богатые литием. Этот композитный электролит, изготовленный с использованием полимерной матрицы из керамики и полиэтиленоксида, заменяет легковоспламеняющиеся жидкие электролиты, используемые в обычных аккумуляторах. Устраняя риск утечки или возгорания, новая твердотельная конфигурация не только повышает безопасность, но и стабилизирует электрохимические процессы в батарее, которые необходимы для поддержания более энергичных реакций с течением времени. В основе этого химического соединения лежит мощный катализатор - фосфид тримолибдена (MO₃P). Этот катализатор способствует важнейшему четырехэлектронному переносу, обеспечивая стабильность реакции при длительном использовании.
По словам исследователей, такой инновационный аккумулятор может выдержать не менее 1000 циклов зарядки-разрядки при комнатной температуре без существенного ухудшения качества, что является важным аспектом для обеспечения его жизнеспособности в реальных условиях. Чтобы подтвердить, что желаемая реакция действительно происходит, команда исследователей использовала криогенную просвечивающую электронную микроскопию в Центре наноразмерных материалов Министерства энергетики США. Проведенный ими анализ подтвердил обратимое образование и разложение оксида лития, подтверждая успешность четырехэлектронной реакции.
Как указывают исследователи, эта инновационная литий-воздушная батарея, работающая при комнатной температуре, не просто знаменует собой научную веху - она переосмысливает возможности аккумуляторной технологии. При прогнозируемой плотности энергии в 1200 ватт-часов на килограмм такая батарея в настоящее время обладает самым высоким потенциалом из всех известных технологий перезаряжаемых батарей. Это может привести к далеко идущим последствиям. В частности, в случае коммерциализации эта разработка может радикально увеличить запас хода электромобилей при значительном снижении веса и габаритов аккумуляторов. Она также может обеспечить более эффективное и безопасное хранение возобновляемых источников энергии, таких как солнечная и ветровая, что является важным требованием для устойчивой энергосистемы.