Разработан прототип аккумулятора нового поколения
В Британии разработали успешный прототип литий-воздушного аккумулятора, который имеет большую плотность энергии, обладает высокой эффективностью и способен перезаряжаться до 2000 раз. Лабораторная разработка показала пути решения многих проблем, которые мешали этим типам батарей развиваться ранее.
Литий-воздушные батареи уже давно рассматриваются в качестве возможной замены современным аккумуляторам из-за их потенциально высокой энергетической плотности – в десять раз большей, чем у господствующих сегодня на рынке литий-ионных аккумуляторов. Такая высокая плотность энергии сопоставима с бензином и позволила бы электромобилю с литий-воздушной батареей проехать без подзарядки от Москвы до Санкт-Петербурга. При этом стоимость энергии и вес батареи примерно в пять раз меньше, чем аналогичные характеристики у бензина.
Тем не менее, как и с другими возможными батареями будущего, их производству пока что мешают многие технические трудности. Преодолеть эти трудности попробовали сотрудники Кембриджского университета – они продемонстрировали лабораторный образец литий-воздушной батареи, имеющий улучшенную, по сравнению с предыдущими прототипами, энергоемкость, энергоэффективность и стабильность работы.
Новый образец изготовлен на основе очень пористого, "пушистого" углеродного электрода, сделанного из графена (материала, составленного из углеродных листов толщиной в один атом), а также специальных добавок, которые влияют на химические реакции в батарее, делая ее работу более стабильной и эффективной. И хотя результаты работы очень обнадеживающие, до реального выхода на рынок подобных батарей должно пройти еще не менее десяти лет.
"То, чего мы добились, – это большой шаг вперед для данной технологии, и он открывает совершенно новые области для исследований в этом направлении. Мы не решили всех проблем литий-воздушных аккумуляторов, но наши результаты расчищают путь к практическому применению этих устройств", – заявила профессор Клэр Грей из Кембриджского университета, руководившая данной научной работой.
Многие из технологий, которые мы используем в своем быту каждый день, становятся с каждым годом миниатюрнее, быстрее и доступнее – за исключением аккумуляторов. Помимо смартфонов, не требующих зарядки в течение недели, отсутствие прогресса в области батарей сдерживает и другие важные и перспективные технологии: экологичные электромобили и сетевые хранилища запасенной солнечной энергии.
"В своей простейшей форме все батареи сделаны из трех компонентов: положительно заряженного электрода, отрицательного электрода и электролита", – рассказал доктор Тао Лью из Кембриджского университета, также принимавший участие в работе.
В литий-ионных батареях, которые стоят в наших смартфонах и ноутбуках, отрицательный электрод сделан из графита (форма углерода), положительный – из оксида металла, например оксида лития и кобальта, а электролит – из литиевой соли, растворенной в органическом соединении. Работа батареи зависит от движения ионов лития между двумя электродами. Литий-ионные батареи легкие, но с возрастом ухудшается их емкость, а относительно низкая энергетическая плотность заставляет часто их перезаряжать.
За последние десять было разработано большое число различных альтернатив литий-ионным батареям, и литий-воздушные считаются главными претендентами на звание батарей следующего поколения из-за их высокой энергетической плотности. Но все предыдущие попытки сделать работающий прототип заканчивались низкой производительностью таких батарей, маленькой скоростью зарядки, а также присутствием нежелательных химических реакций. Кроме того, такие батареи обычно заряжаются лишь в атмосфере чистого кислорода, а не обычного воздуха, где кислорода всего около 23%.
Грей, Ли и их коллегам удалось разработать батарею, использующую совсем другие химические реакции, нежели прежние прототипы, полагаясь на гидроксид лития (LiOH) вместо более привычного пероксида (Li2O2). С добавлением воды и благодаря использованию йодида лития в качестве "посредника" их батарея показала гораздо меньшее число нежелательных химических реакций, что сделало работу аккумулятора более стабильной после нескольких циклов зарядки и разрядки.
Благодаря точной разработке структуры электрода из пористой формой графена, добавлению йодида лития и изменению химического состава электролита удалось уменьшить разницу в напряжении выдаваемого тока между заряженным и разряженным состоянием аккумулятора – она составила всего 0,2 вольта. Такая небольшая разница делает батарею намного более эффективной по сравнению с прошлыми образцами, которые в лучшем случае показывали разницу в 0,5–1 вольт. Показатель в 0,2 вольта ближе к характеристике литий-ионных аккумуляторов и приравнивается к показателю энергоэффективности в 93%, что довольно высоко.
Электрод из высокопористого графена также значительно увеличивает пропускную способность батареи, но пока только при определенном темпе зарядки и разрядки. Один из главных вопросов, который еще предстоит решить, заключается в способе защиты металлического электрода от образования так называемых дендритов – веретенообразных металлических волокон, которые приводят к короткому замыканию и взрыву батареи. Кроме того, новый образец все еще работает в чистом кислороде. Воздух вокруг нас содержит двуокись углерода, азот и влагу – все они, как правило, вредны для металлического электрода.
"Пока еще остается много нерешенных фундаментальных вопросов, но текущие результаты все равно очень захватывающие. Хотя мы по-прежнему находимся на стадии разработки, мы показали, что существуют решения весьма трудных проблем, связанных с этой технологией", – рассказала Грей.
