Когда появятся более эффективные аккумуляторы?

В погоне за более маленьким и более мощным аккумулятором, которого бы хватало на большее количество времени, ученые перепробовали множество альтернативных подходов к химии батареек. И вот один из них — литиево-воздушный (Li-air) аккумулятор — стал долго ожидаемым прорывом. Портал The Conversation рассказал об этой технологии, которую ранее отметали многие исследовательские группы.

1

Первое исследование темы

Про первый литиево-воздушный аккумулятор даже ходит легенда. В 1995 году химик К. М. Абрахам проводил тестирование аккумулятора, когда заметил небольшую утечку в одном из его элементов. Эта утечка обеспечивала боле высокое содержание энергии, чем ожидалось. Так что вместо того, чтобы перекрыть ее, ученый продолжил исследования и открыл первый литиево-воздушный аккумулятор.
До сих пор это открытие не воплощалось в какие-либо технические продукты. Однако исследовательская группа из Кембриджского университета, во главе с профессорами Гунву Кимом (Gunwoo Kim) и Клер Грей (Clare Grey), собралась это изменить.

2

Какие аккумуляторы используются сейчас

В 2008 году Tesla Motors поразил электромобилем Roadster, который работал на литиево-ионных (Li-ion) аккумуляторах. Таких же, которые сейчас питают все, начиная от смартфонов и лэптопов и заканчивая камерами и игрушками. С тех пор не только разросся рынок электрического транспорта, но и ассортимент аккумуляторов.

Автомобиль Tesla Roadster

Однако рост последнего надо ускорять еще и еще: начиная с 1994 года, ушло целых 20 лет, чтобы утроить энергию, содержащуюся в типичном Li-ion аккумуляторе.
В новых экспериментах с литиево-воздушными аккумуляторами делают ставку на электронный проводник из легкого, пористого углерода. Им заменяют металл-оксид, обычно используемый в литиево-ионных аккумуляторах. Новый проводник помогает уменьшить массу аккумулятора, но и создает свои трудности.

3

В чем идея нового аккумулятора

Литиево-воздушные ячейки создают напряжение из молекул кислорода (O2), которые находятся на положительном электроде. О2 вступает в реакцию с положительно заряженными ионами лития, образует пероксид лития (Li2O2) и генерирует электрическую энергию. При этом электроны вытягиваются из электрода. Аккумулятор становится пустым (разряженным), если Li2O2 больше не может образовываться.

4

Как и почему идея корректировалась

Загвоздка возникла в том, что пероксид лития очень плохой проводник электронов. Если отложения Li2O2 покрывают поверхность электрода, который поставляет электроны для реакции, это гасит и в конечном итоге сводит на нет реакцию, а с тем и емкость аккумулятора. Эта проблема может быть решена, если продукт реакции (пероксид лития в данном случае) сохраняется вблизи электрода, но не покрывает его.
Чтобы этого добиться, исследователи взяли стандартную смесь для электролита (проводящего ток вещества) и добавили к ней иодид лития (Li). К этому прибавился рыхлый электрод, выполненный из множества тонких слоев графена с большими порами. Последним важным компонентом стало небольшое количество воды.

5

Что происходит внутри Li-air аккумулятора

При такой комбинации химических веществ не образуется Li2O2, который залепляет проводящую поверхность электрода. Вместо этого из воды (H2O) берется водород, и формируются кристаллы гидроксида лития (LiOH). Эти кристаллы заполняют поры в углеродном электроде, но не покрывают его полностью и не блокируют поверхность углерода, который генерирует подачу напряжения.

Таким образом, йодид лития как «посредник» (хотя его точная роль пока не ясна) и вода в качестве сореагента увеличивают вместимость литиево-воздушного аккумулятора.

6

Как перезарядить такой аккумулятор

Непокрытая поверхность электрода важна для повышения емкости. Однако отсутствие контакта между электродом и продуктами реакции усложняют перезарядку. И тут необходимым компонентом становится йодид лития. Находящиеся на электроде отрицательно заряженные ионы йодида преобразуются в трийодид (I3) ионы. Они сочетают с кристаллами LiOH и растворяются. Таким образом, происходит очистка пор электрода и полная перезарядка аккумулятора.

Исследователи отмечают, что этот механизм эффективней, чем перезарядка Li2O2, покрывающего поверхность электрода. Так как электронам не нужно проходить через слои пероксида лития, для зарядки литиево-воздушного аккумулятора требуется меньшее напряжение. При этом энергоэффективность приближается к 90%. Это дает новую технологию аккумуляторов, близкую к распространенным сейчас литиево-ионным.