Ученые разработали действующий лабораторный образец литий-кислородной батареи, которая имеет очень высокую плотность энергии, эффективность более 90% и на сегодняшний день может быть перезаряжена более 2000 раз. проблемы, сдерживающие развитие этих устройств, могут быть решены.
Литий-кислородные или литий-воздушные батареи рекламируются как «лучшие» батареи из-за их теоретической плотности энергии, которая в десять раз больше, чем у литий-ионных батарей. Такая высокая плотность энергии была бы сравнима с плотностью бензина и позволила бы электромобилю с батареей, которая в пять раз дешевле и в пять раз легче тех, что в настоящее время представлены на рынке, проехать от Лондона до Эдинбурга на одной зарядке.
Однако, как и в случае с другими батареями следующего поколения, существует несколько практических проблем, которые необходимо решить, прежде чем литий-воздушные батареи станут жизнеспособной альтернативой бензину.
Теперь исследователи из Кембриджского университета продемонстрировали, как можно преодолеть некоторые из этих препятствий, и разработали лабораторный демонстрационный образец литий-кислородной батареи, которая имеет более высокую емкость, повышенную энергоэффективность и улучшенную стабильность по сравнению с предыдущими. попытки.
В их демонстраторе используется высокопористый, «пушистый» углеродный электрод, сделанный из графена (состоящий из слоев атомов углерода толщиной в один атом), и добавки, которые изменяют химические реакции, протекающие в батарее, делая ее более стабильнее и эффективнее. Хотя результаты, опубликованные в журнале Science, обнадеживают, исследователи предупреждают, что практическая литий-воздушная батарея появится еще как минимум через десять лет.
"То, чего мы достигли, является значительным шагом вперед для этой технологии и предлагает совершенно новые области для исследований - мы не решили все проблемы, присущие этой химии, но наши результаты показывают пути продвижения к практическому устройству. ", - сказала профессор Клэр Грей с химического факультета Кембриджа, старший автор статьи.
Многие технологии, которые мы используем каждый день, с каждым годом становятся меньше, быстрее и дешевле, за исключением аккумуляторов. Помимо возможности смартфона, который может работать в течение нескольких дней без необходимости подзарядки, проблемы, связанные с созданием более качественной батареи, сдерживают широкое внедрение двух основных экологически чистых технологий: электромобилей и сетевых хранилищ для солнечной энергии.
«В своей простейшей форме батареи состоят из трех компонентов: положительного электрода, отрицательного электрода и электролита», - сказал доктор Тао Лю, также из химического факультета, и первый автор статьи.
В литий-ионных (Li-ion) батареях, которые мы используем в наших ноутбуках и смартфонах, отрицательный электрод сделан из графита (разновидность углерода), положительный электрод сделан из оксида металла, такого как оксид лития-кобальта, а электролит представляет собой соль лития, растворенную в органическом растворителе. Действие батареи зависит от движения ионов лития между электродами. Литий-ионные аккумуляторы легкие, но их емкость со временем снижается, а их относительно низкая плотность энергии означает, что их необходимо часто перезаряжать.
За последнее десятилетие исследователи разрабатывали различные альтернативы литий-ионным батареям, а литий-воздушные батареи считаются идеальными для хранения энергии следующего поколения из-за их чрезвычайно высокой плотности энергии. Тем не менее, предыдущие попытки рабочих демонстраторов имели низкую эффективность, низкую производительность, нежелательные химические реакции и могли работать только в чистом кислороде.
То, что разработали Лю, Грей и их коллеги, использует совершенно другую химию, чем более ранние попытки создать неводную литий-воздушную батарею, основанную на гидроксиде лития (LiOH) вместо пероксида лития (Li2O2). С добавлением воды и использованием йодида лития в качестве «посредника» их батарея показала гораздо меньше химических реакций, которые могут привести к гибели клеток, что сделало ее гораздо более стабильной после нескольких циклов зарядки и разрядки.
Точно разработав структуру электрода, изменив его на высокопористую форму графена, добавив йодид лития и изменив химический состав электролита, исследователи смогли уменьшить «разрыв напряжения» между зарядом и разрядить до 0,2 вольта. Небольшой разрыв в напряжении означает более эффективную батарею - предыдущим версиям литий-воздушной батареи удалось уменьшить разрыв только до 0,5-1,0 вольт, тогда как 0,2 вольта ближе к литий-ионной батарее и соответствует энергоэффективность 93%.
Высокопористый графеновый электрод также значительно увеличивает емкость демонстратора, хотя и только при определенных скоростях заряда и разряда. Другие проблемы, которые еще предстоит решить, включают в себя поиск способа защиты металлического электрода, чтобы он не образовывал нитевидные металлические волокна лития, известные как дендриты, которые могут привести к взрыву батарей, если они вырастут слишком сильно, и произойдет короткое замыкание батареи.
Кроме того, демонстратор может работать только в чистом кислороде, а окружающий нас воздух также содержит углекислый газ, азот и влагу, которые обычно вредны для металлического электрода.
«Еще много работы», - сказал Лю. «Но то, что мы здесь увидели, предполагает, что есть способы решить эти проблемы - может быть, нам просто нужно посмотреть на вещи немного по-другому».
Несмотря на то, что еще предстоит провести множество фундаментальных исследований, чтобы сгладить некоторые детали механизма, текущие результаты чрезвычайно интересны - мы все еще находимся на стадии разработки, но мы показали, что есть решения некоторых сложных проблем, связанных с этой технологией», - сказал Грей.