Літій-повітряні акумулятори витримали 700 циклів перезарядки

Американські хіміки вперше створили ефективний літій-повітряний акумулятор, який витримує 700 циклів зарядки - розрядки, що можна порівняти з показниками сучасних літій-іонних акумуляторів, які працюють без значного зниження ємності від 400 до 1200 циклів. Цього вдалося домогтися завдяки використанню захисного покриття на літієвому аноді, а також спеціально підібраних складів катода і електроліту в електрохімічному осередку, пишуть вчені в.

Для підвищення ефективності роботи акумуляторів вчені намагаються не тільки покращувати існуючі схеми електрохімічних осередків за рахунок модифікації складу і структури електродів або електроліту, але і шукають інші більш вигідні окислювально-відновлювальні реакції, які відбуваються при зарядці і розрядці акумулятора. Одним з найбільш перспективних варіантів заміни найбільш популярним зараз літій-іонним батареям вважаються літій-повітряні хімічні джерела струму. Ці батареї засновані на реакції літію з киснем з утворенням пероксиду літію Li₂O₂, і за теоретичними оцінками володіють максимальною з відомих батарей питомою енергією - близько 40 мегаджоулів на кілограм, що приблизно в 5 разів більше, ніж у сучасних літій-іонних акумуляторів.

Основна проблема літій-повітряних батарей - ускладнена робота в умовах хімічного складу повітря. Ефективні літій-кисневі батареї з використанням чистого кисню вже вдавалося отримати, проте вони не можуть застосовуватися на практиці і мають підвищену вибухонебезпечність. У разі ж присутності в газовому середовищі азоту, вуглекислого газу і води продукти побічних реакцій забруднюють поверхню електродів і помітно знижують час роботи акумулятора, і вже після 10 - 20 циклів зарядки - розрядки батарея перестає працювати.

Для вирішення цієї проблеми група американських електрохіміків під керівництвом Аміна Салехі-Ходжина (Amin Salehi-Khojin) з Іллінойського університету в Чикаго запропонувала нову схему літій-повітряного електрохімічного осередку, яка дозволяє обмежити інтенсивність побічних реакцій на електродах і підвищити таким чином час ефективної циклічної роботи акумулятора. Для цього вчені використовували два підходи. По-перше, на поверхню літієвого аноду батареї було нанесено покриття на основі вуглецю і карбонату літію. Крізь такий шар проходять тільки іони літію, таким чином сам анод виявляється захищений від впливу атмосфери. По-друге, в якості катода було запропоновано використовувати наноструктурований дисульфід молібдену, який служить каталізатором реакції відновлення кисню. Електролітом же в запропонованій архітектурі електрохімічного осередку слугувала суміш діметилсульфоксиду з іонною рідиною на основі тетрафторбората (EMIM-BF₄).

Для перевірки циклічної роботи запропонованої схеми акумулятора дослідники провели експеримент з багаторазової перезарядки з використанням модельної газової суміші, склад якої відповідав складу повітря. Крім електрохімічних вимірювань, для дослідження процесів хімічної пасивації електродів автори роботи за допомогою мікроскопії і декількох спектрометричних методів також визначали їх структуру і хімічний склад після кожних 5 циклів.

Виявилося, що складена таким чином літій-повітряна батарея витримує не менше 700 циклів перезарядки без помітного падіння ємності, хімічний склад електродів при цьому практично не змінюється. За словами авторів роботи, після кожного з циклів зарядки-розрядки акумулятора задіяним залишаються приблизно 99,97 відсотка літію.

Ефективність роботи запропонованої схеми акумулятора вчені також підтвердили за допомогою численних розрахунків методом теорії функціоналу щільності, вивчивши процес каталізу реакції відновлення кисню на краях наночастинок дисульфіду молібдену, а також ймовірність взаємодії води і вуглекислого газу з пероксидом літію, що утворюється в осередку.

Вчені стверджують, що це фактично перший ефективно працюючий прототип літій-повітряного акумулятора, який здатний на таку довгу циклічну роботу. Тому запропонована архітектура електрохімічного осередку, на думку авторів роботи, - дуже важливий крок на шляху до створення літієвих джерел струму нового покоління зі значно вищими, ніж у нинішніх акумуляторів, показниками питомої щільності енергії.

Якщо літій-повітряні батареї - поки тільки можливе майбутнє електрохімічних джерел струму, то найбільш популярні з сучасних акумуляторів - літій-іонні батареї. Для підвищення їх ефективності, безпеки і розширення діапазону умов надійної роботи вчені постійно шукають нові матеріали для електродів і електролітів. Наприклад, нещодавно вченим вперше вдалося створити літій-іонний акумулятор, який працює при ‑ 70 градусах Цельсія. Інша група дослідників знайшла спосіб отримувати ефективні розтягувані батареї. А до цього для підвищення безпеки в літій-іонні акумулятори вбудували мембрану з функціями вогнегасника.