Литий-кислородные топливные элементы обладают уровнем плотности энергии, сравнимым с ископаемым топливом, и, таким образом, рассматриваются как многообещающий кандидат для будущих потребностей в энергии, связанных с транспортом.
Однако на пути реализации этого видения стоят несколько препятствий. К ним относятся плохая перезаряжаемость, снижение эффективности из-за высоких перенапряжений (больше энергии заряда, чем энергии разряда) и низкая удельная энергия.
Этим препятствиям способствуют две нестабильности. Большая часть предыдущей работы выполнялась в лаборатории Линдена Арчера, Джеймса А. Friend Family, заслуженный профессор инженерии в Школе химической и биомолекулярной инженерии Роберта Ф. Смита (CBE) в Корнельском университете, сосредоточился на одном: зарождении и росте дендритов от одного электрода к другому, что вызывает короткое замыкание, источник преждевременного отказа клеток, который неизменно заканчивается пожарами.
Это другая нестабильность - потеря заряда батареи, также известная как исчезновение емкости - это то, что находится в центре внимания самой последней работы лаборатории. Снехашис Чоудхури, аспирант Исследовательской группы Арчера, придумал то, что Арчер называет «гениальным» ответом на проблему угасания емкости.
Их работа подробно описана в статье «Конструктор интерфейсов для литий-кислородного электрохимического элемента», опубликованной в этом месяце в журнале Science Advances. Чоудхури является соавтором вместе с Чарльзом Ваном, специалистом по химическому машиностроению.
Уменьшение емкости происходит, когда электролит, переносящий заряженные ионы от отрицательного электрода (анода) к положительному (катоду), вступает в реакцию с электродами.«Он начинает потреблять электроды», - сказал Чоудхури. «Он образует множество изолирующих продуктов, которые препятствуют переносу ионов. Со временем они накапливаются, создавая такое запредельное внутреннее сопротивление элемента, что в конце концов батарея выходит из строя».
Проблема: как остановить одну реакцию электролит-электрод, когда другая необходимая реакция между ними - перенос ионов - производит энергию? Решение Чоудхури называется искусственным твердоэлектролитным межфазным слоем (SEI), материалом, который защищает электроды, одновременно способствуя потоку электронов от одного конца ячейки к другому.
«Такие интерфазы естественным образом образуются во всех электрохимических элементах… и их химико-механическая стабильность имеет решающее значение для успеха графитового анода в литий-ионных батареях», - сказал Арчер."
Подход Чоудхури к созданию интерфазы функционального дизайнера основан на использовании бромсодержащих ионных полимеров (иономеров), которые избирательно связываются с литиевым анодом, образуя проводящее покрытие толщиной в несколько нанометров, которое защищает электрод от деградации и выцветания. Иономеры SEI обладают тремя свойствами, которые обеспечивают повышенную стабильность во время электроосаждения: защита анода от роста дендритов; окислительно-восстановительное (окислительно-восстановительное) посредничество, снижающее перенапряжение заряда; и образование стабильной интерфазы с литием, защищая металл и способствуя переносу ионов.
Одна проблема все еще существует: все литий-кислородные электрохимические элементы исследовательского класса оцениваются с использованием чистого кислорода в качестве активного материала катода. Для коммерчески жизнеспособного литий-кислородного (или литий-воздушного, как его также называют) элемента необходимо извлекать кислород из воздуха, а этот кислород также содержит другие реактивные компоненты, такие как влага и углекислый газ.
Если неэффективность, ограничивающую производительность литий-кислородных топливных элементов, удастся устранить, исключительные возможности хранения энергии, предлагаемые клеточной химией, станут гигантским шагом вперед для электрифицированного транспорта и революционным достижением для автономной робототехники, сказал Арчер..
«Наблюдения за самыми продвинутыми гуманоидными роботами говорят о том, что они всегда либо привязаны к сверхдлинному электрическому кабелю, либо используют что-то вроде громкого двигателя газонокосилки для выработки энергии», - сказал Арчер. «Любой источник энергии не сравним с теми, что встречаются в природе. Технологии хранения энергии, такие как литий-воздушные аккумуляторы, использующие материалы из окружающей среды, обещают сократить этот разрыв».