Литий-воздушные аккумуляторы могут быть долгоживущими и быстрыми

У литий-воздушных аккумуляторов огромный потенциал по запасанию энергии — до 2 000 Вт•ч/кг, в десять раз выше, чем у лучших литий-ионных батарей. То же касается и плотности энергии: объем литий-воздушной батареи примерно в десять раз меньше, чем у такой же по напряжению и силе тока литий-ионной. Однако если бы всё ограничивалось только достоинствами…

Исследователи из Сент-Эндрюсского университета (Великобритания) продемонстрировали литий-воздушные батареи, теряющие после ста циклов лишь 5% ёмкости и при этом заряжающиеся вдесятеро быстрее обычных. Для этого в них используются золотые электроды и диметилсульфоксидный электролит.

Литий-воздушные батареи демонстрируют самую высокую ёмкость, но реакции в них такие бурные, что компоненты очень быстро деградируют. (Илл. Tony Hisgett / Z. Peng et al. / Science.)

При реализации литий-воздушных батарей есть целый ряд сложностей. Во-первых, литий, весьма активный металл, взаимодействует с кислородом воздуха. Другая проблема — высокий энергетический барьер реакции, требующий использования в катодах катализаторов. Наконец, пока так и нет нормально работающего электролита, который хорошо проводил бы ионы лития, при этом надёжно изолируя литиевый анод от кислорода. Ну а гипотетический идеальный электролит не должен замерзать в мороз и закипать в жару. Итак, что же мы имеем?

Британцы использовали диметилсульфоксид, апротонный растворитель (CH₃)₂SO, в качестве кандидата в такие «идеальные» электролиты: он относительно хорошо проводит ионы и не позволяет быстро окисляться литию. Проблемой является лишь то, что при нормальном давлении он затвердевает уже при 18 ˚С, но, как отмечают исследователи, не всё сразу. Другой ключевой новацией стало использование более стойкого в химическом отношении материала электрода — золота — вместо углерода, применявшегося до сих пор.

Итог впечатляет. Во-первых, главная проблема — деградация материала батарей — оказалась в значительной степени преодолена. При 100 циклах зарядки-разрядки ёмкость литий-воздушного аккумулятора упала лишь на 5%, то есть до 50-процентной деградации такие батареи могут пережить 1 000 циклов. Учитывая их значительную ёмкость, это очень прилично. Другим преимуществом новой конструкции является увеличившаяся вдесятеро скорость зарядки и разрядки: в сравнении с обычными литий-воздушными батареями она выросла в 10 раз. Что чрезвычайно важно: в случае на порядок более ёмких батарей «заправлять» те же электромобили придётся в 10 раз дольше, а ведь и сейчас на это уходят часы.

Недостатки новой конструкции вытекают, увы, из её достоинств. Золото делает аккумулятор тяжёлым и, понятно, дорогим. А эффективный электролит замерзает при +18 ˚С.

И тем не менее исследователи отмечают, что их работа демонстрирует принципиальную возможность (при нахождении эквивалентов новым материалам) создания таких литиевых аккумуляторов, которые смогут наконец-то решит проблему катастрофически малой ёмкости существующих батарей всех типов, препятствующей электромобильной революции и ограничивающей автономность мобильных устройств и ноутбуков.

Рассказ об исследовании представлен в журнале Science.

Подготовлено по материалам Phys.Org.