Литий-воздушный аккумулятор
Lithium-air, Li-air

2018: 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^[1][2].

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 M. Asadi et al./ Nature, 2018

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.Метавселенная ВДНХ 2.7 т

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.

2017: Samsung придумал, как удвоить емкость батарей для электромобилей

Согласно информации японской Nikkei Asian Review (ноябрь 2017 года), в Samsung Electronics ведется разработка перспективных аккумуляторных батарей для электромобилей нового поколения, емкость заряда которых вдвое превышает показатели популярных сегодня литий-ионных аккумуляторов, и примерно на 50% показатели нового поколения твердотельных батарей^[3].

Автомобильные аккумуляторы Samsung базируются на так называемой литий-воздушной (lithium-air, Li-air) технологии, использующей для генерации тока процесс окисления лития на аноде и восстановление кислорода на катоде.

Согласно информации Nikkei, в случае успешной разработки батарей нового типа Samsung имеет все шансы значительно обогнать конкурентов, работающих в области разработки аккумуляторов для новых электромобилей, главным образом, компаний из Японии и Южной Кореи.

Особенности технологии

Впервые литий-воздушная технология производства аккумуляторных батарей была предложена еще в 1970-е годы, однако в то время из-за отсутствия комплекса необходимых технологий заметного коммерческого успеха добиться не удалось.

Тем не менее, интерес к литий-кислородной технологии постоянно сохранялся, поскольку теоретическая удельная энергия литий-воздушной батареи с рабочим материалом Li2O2 очень высока: в заряженном состоянии она может достигать 40,1 МДж/кг, что уже сопоставимо с теоретической удельной энергией бензина (46,8 МДж/кг).

Литий-ионная и литий-воздушная батареи

Интерес к литий-воздушным батареям вернулся совсем недавно, по мере развития материаловедения и современных технологий производства. Кроме того, исследования в этой области сегодня щедро спонсируются автоиндустрией. Так, Toyota Motor уже объявили о планах начала собственного производства твердотельных батарей в середине следующего десятилетия.

В настоящее время разработчикам из Samsung удалось добиться удельной емкости разрабатываемых ими литий-воздушных батарей на уровне порядка 520 Вт/ч на килограмм веса батареи.

Серьезного прорыва в разработке удалось добиться за счет применения сверхтонкого сепаратора, который является ключевым элементом конструкции таких батарей. По данным Nikkei, толщина сепаратора в литий-воздушных аккумуляторах Samsung составляет всего 20 мкм – это менее 10% от толщины сепаратора в предыдущих моделях батарей. За счет этого разработчикам удалось увеличить удельную плотность заряда, и, как следствие, общую емкость батареи за счет большего числа ячеек на единицу объема.

Для сравнения Nikkei приводит характеристики нового электромобиля Leafот Nissan Motor, заряда батареи которого достаточно для пробега на расстояние порядка 400 км. Литий-воздушная батарея Samsung теоретически может обеспечить схожий электродвигатель пробегом от одного заряда на расстояние до более 700 км.

Системы накопления (хранения) энергии и Электромобили

Примечания