Испытан новый тип электрохимического аккумулятора

Необычная батарея, обладающая одновременно чертами топливных элементов и литиево-ионных аккумуляторов, способна в разы превзойти последние по удельной ёмкости. Лабораторный прототип устройства построила группа учёных под руководством профессора Питера Брюса (Peter Bruce) из университета Сент-Эндрю (University of St Andrews).

"Мой главный интерес – химия твёрдого тела и электрохимия", – сообщает о себе профессор Брюс. Кстати, свою работу по созданию новой батареи он выполнил в сотрудничестве с учёными из университетов Стретчклайда и Ньюкасла (фото University of St Andrews).

Если в топливных элементах и топливо, и окислитель поступают извне, а в аккумуляторах все компоненты, необходимые для реакции находятся в самой батарее, то в новом элементе топливо всегда расположено в корпусе устройства, а вот кислород, необходимый для его окисления поступает из атмосферы. Тут сразу вспоминаются воздушно-цинковые батареи (Zinc-air battery), но они либо одноразовые, либо нуждаются в механической перезарядке (смене картриджа). Новичок же действует как обычный аккумулятор — он способен заряжаться от сети.

Всё дело в том, что, по сути, он представляет собой литиево-ионную батарею (Lithium-ion Battery). Только очень специфического типа — это литиево-кислородная батарея (Lithium Oxygen Battery), или иначе — Li-O₂ ячейка.

Опытный прототип устройства, построенный Питером Брюсом и его коллегами (фото Peter Bruce/EPSRC).

Классический литиево-ионный аккумулятор содержит анод из графита, катод из оксида кобальта лития (хотя тут возможны варианты) и электролит, содержащий литиевую соль. Ионы лития курсируют между двумя электродами в процессе зарядки и разрядки, отправляя электроны во внешнюю цепь в ту или иную сторону. Проблема, по мнению Брюса, заключается в том, что оксид кобальта лития — громоздкая и тяжёлая часть устройства. Именно положительный электрод учёный считает главным препятствием для увеличения плотности энергии в таких батареях.

Потому в новой ячейке Питер заменил традиционный катод на тонкую пластинку из очень лёгкого высокопористого углерода, с добавкой высокоэффективного катализатора, который с одной стороны пропитывается электролитом, а с другой — сообщается через мембрану с атмосферным воздухом.

Когда такой аккумулятор отдаёт ток в нагрузку, кислород из воздуха проникает в пористый углерод, где вступает в реакцию с ионами лития из электролита, и, забирая электроны из внешней цепи, образует оксид лития Li₂O₂. Пока это сильно напоминает воздушно-цинковую батарею. Но прелесть разработки в том, что все реакции тут обратимы: если новый аккумулятор заряжать от розетки — оксид разлагается, высвобождая ионы лития в электролит, а кислород — обратно в атмосферу.

Схема литиево-кислородной перезаряжаемой батареи (иллюстрация с сайта chemistry.st-and.ac.uk).

Анализ опытной ячейки при помощи рентгеновской дифракции показал, что весь оксид лития, который формируется при разряде, полностью разлагается во время заряда батареи. О том же говорит и масс-спектрометрия, зафиксировавшая выход кислорода во время подзарядки аккумулятора.

При этом по удельной ёмкости на единицу веса Li-O₂ ячейка превзошла обычные литиевые батарейки для сотовых телефонов в 8 раз, — сообщают авторы разработки.

И это ещё не предел, по теории отдачу такой ячёйки можно поднять ещё, скажем до 10 раз против стандартного аккумулятора, — говорят исследователи. Правда, когда она будет превращена не в лабораторный прототип, собранный на коленке, а в стандартный аккумулятор для мобильника, с пластиковым корпусом и прочими сопутствующими элементами, причём пригодный для массового производства, показатели Li-O₂ батареи окажутся куда скромнее — "всего" вдвое лучше, чем у сегодняшних литиевых аккумуляторов, — сообщает Брюс.

Однако, прежде, чем это случится, нужно будет ещё подробнее изучить процессы, идущие во время разряда и заряда такой ячейки, в частности подобрать лучшие катализаторы (они играют ключевую роль в восстановлении лития и выпуске кислорода обратно в воздух).