Литий-воздушные аккумуляторы выдержали 700 циклов перезарядки

Американские химики впервые создали эффективный литий-воздушный аккумулятор, который выдерживает 700 циклов зарядки—разрядки, что сравнимо с показателями современных литий-ионных аккумуляторов, которые работают без значительного снижения емкости от 400 до 1200 циклов. Этого удалось добиться благодаря использованию защитного покрытия на литиевом аноде, а также специально подобранных составов катода и электролита в электрохимической ячейке, пишут ученые в Nature.

Фотография поверхности анода литий-воздушной батареи, покрытого защитным слоем

Для повышения эффективности работы аккумуляторов ученые пытаются не только улучшать существующие схемы электрохимических ячеек за счет модификации состава и структуры электродов или электролита, но и ищут другие более выгодные окислительно-восстановительные реакции, которые происходят при зарядке и разрядке аккумулятора. Одним из наиболее перспективных вариантов замены наиболее популярным сейчас литий-ионным батареям считаются литий-воздушные химические источники тока. Эти батареи основаны на реакции лития с кислородом с образованием пероксида лития Li₂O₂, и по теоретическим оценкам обладают максимальной из известных батарей удельной энергией — около 40 мегаджоулей на килограмм, что примерно в 5 раз больше, чем у современных литий-ионных аккумуляторов.
Основная проблема литий-воздушных батарей — затрудненная работа в условиях химического состава воздуха. Эффективные литий-кислородные батареи с использованием чистого кислорода уже удавалось получить, однако они не могут применяться на практике и обладают повышенной взрывоопасностью. В случае же присутствия в газовой среде азота, углекислого газа и воды продукты побочных реакций загрязняют поверхность электродов и заметно снижают время работы аккумулятора, и уже после 10—20 циклов зарядки—разрядки батарея перестает работать.
Для решения этой проблемы группа американских электрохимиков под руководством Амина Салехи-Ходжина (Amin Salehi-Khojin) из Иллинойсского университета в Чикаго предложила новую схему литий-воздушной электрохимической ячейки, которая позволяет ограничить интенсивность побочных реакций на электродах и повысить таким образом время эффективной циклической работы аккумулятора. Для этого ученые использовали два подхода. Во-первых, на поверхность литиевого анода батареи было нанесено покрытие на основе углерода и карбоната лития. Сквозь такой слой проходят только ионы лития, таким образом сам анод оказывается защищен от влияния атмосферы. Во-вторых, в качестве катода было предложено использовать наноструктурированный дисульфид молибдена, который служит катализатором реакции восстановления кислорода. Электролитом же в предложенной архитектуре электрохимической ячейки служила смесь диметилсульфоксида с ионной жидкостью на основе тетрафторбората (EMIM-BF₄).
Для проверки циклической работы предложенной схемы аккумулятора исследователи провели эксперимент по многократной перезарядке с использованием модельной газовой смеси, состав которой соответствовал составу воздуха. Кроме электрохимических измерений, для исследования процессов химической пассивации электродов авторы работы с помощью микроскопии и нескольких спектрометрических методов также определяли их структуру и химический состав после каждых 5 циклов.

Микрофотографии поверхности катода после первой и 250-й разрядки (a и с), после первой и 250-й зарядки (b и d). Справа приведена фотография разряженного катода, полученная с помощью просвечивающей электронной микроскопии

Оказалось, что составленная таким образом литий-воздушная батарея выдерживает не менее 700 циклов перезарядки без заметного падения емкости, химический состав электродов при этом практически не изменяется. По словам авторов работы, после каждого из циклов зарядки-разрядки аккумулятора задействованным остаются примерно 99,97 процента лития.
Эффективность работы предложенной схемы аккумулятора ученые также подтвердили с помощью численных расчетов методом теории функционала плотности, изучив процесс катализа реакции восстановления кислорода на краях наночастиц дисульфида молибдена, а также вероятность взаимодействия воды и углекислого газа с образующимся в ячейке пероксидом лития.
Ученые утверждают, что это фактически первый эффективно работающий прототип литий-воздушного аккумулятора, который способен на такую долгую циклическую работу. Поэтому предложенная архитектура электрохимической ячейки, по мнению авторов работы, — очень важный шаг на пути к созданию литиевых источников тока нового поколения со значительно более высокими, чем у нынешних аккумуляторов, показателями удельной плотности энергии.
Если литий-воздушные батареи — пока только возможное будущее электрохимических источников тока, то наиболее популярные из современных аккумуляторов — литий-ионные батареи. Для повышения их эффективности, безопасности и расширения диапазона условий надежной работы ученые постоянно ищут новые материалы для электродов и электролитов. Например, недавно ученым впервые удалось создать литий-ионный аккумулятор, который работает при −70 градусах Цельсия. Другая группа исследователей нашла способ получать эффективные растягиваемые батареи. А до этого для повышения безопасности в литий-ионные аккумуляторы встроили мембрану с функциями огнетушителя.
Источник