Улучшены эффективность и долговечность литий-воздушных батарей
Новый вариант электрохимического процесса, описанный в журнале Nature Energy, может применяться в традиционной конструкции полностью герметичных элементов питания. Он обеспечивает теоретическую производительность на уровне обычных литий-воздушных батарей, но лишён всех их недостатков, таких как потери энергии в виде тепла, быстрая деградация свойств и потребность в дорогостоящем оборудовании для закачки и выкачки кислорода.
В разработке этой батареи с катодом из стекловидных наночастиц, содержащих литий и кислород, принимали участие представители Массачусетского технологического института (MIT), Аргоннской Национальной Лаборатории и Пекинского университета (Китай).
Стандартные литий-воздушные батареи используют в химической реакции с литием (при разрядке) кислород из атмосферы, который при зарядке снова выпускается в окружающую среду. В новом варианте реакции протекают те же, но в них кислород остаётся в составе твёрдых соединений и никогда не выделяется в газообразном виде.
Трансформация кислорода в трёх стадиях окислительно-восстановительного процесса происходит между тремя различными твёрдыми химическими соединениями, Li2O, Li2O2 и LiO2, смешанными вместе в стекловидной массе. Такой приём позволяет в пять раз, с 1,2 до 0,24 В, снизить потери напряжения и уменьшить количество электроэнергии, превращающейся в тепло, с 30 до 8%.
Исключение газовой фазы благоприятно сказывается на долговечности батареи, так как катод больше не подвергается многократным значительным изменениям объёма, разрушающим пути электрической проводимости в структуре материала. В циклических испытаниях, лабораторная версия новой батареи показала потерю емкости менее 2% после 120 циклов перезарядки. Отсутствие потребности в дополнительном внешнем оборудовании позволит устанавливать такие батареи вместо литий-ионных в уже существующие потребительские электронные устройства, автомобили и в промышленные системы хранения энергии.
Благодаря тому, что катоды с «твёрдым кислородом» весят намного меньше катодов литий-ионных батарей, новая конструкция позволяет сохранять вдвое больше энергии на единицу массы катода. Дальнейшая её оптимизация, по мнению разработчиков, позволит улучшить этот результат ещё в два раза, причём все это — без добавления дорогостоящих компонентов или материалов.
Примененные в новом катоде «нанолитиевые» частицы в нормальном состоянии очень неустойчивы, поэтому исследователи внедрили их в пористую стабилизирующую матрицу оксида кобальта (он также служит катализатором процесса трансформации кислорода).
Команда рассчитывает пройти путь от концептуального прототипа до практического образца новой батареи на «твёрдом кислороде» примерно за год.