Суперэффективные литий-воздушные батареи разработаны британскими учеными из Кембриджа - «Технологии»

Ученые Кембриджского университета разработали действующий лабораторный прототип литий-кислородной батареи с очень высокой энергетической плотностью. Ее эффективность может превышать 90% и, согласно последним испытаниям, она может выдерживать более чем 2000 циклов разряда/заряда, демонстрируя пример того, как преодолевать препятствия, стоящие на пути развития технологии.

Свои литий-кислородные (литий-воздушные) аккумуляторы исследователи называют «батареями с предельной эффективностью» поскольку их теоритическая энергетическая плотность в десять раз выше, чем у литий-ионных аналогов. Такой высокий показатель сопоставим с энергетической плотностью бензина и позволит электромобилям с подобной батареей, которая в пять раз легче и в пять раз дешевле применяемых сегодня, проезжать на одном заряде от Лондона до Эдинбурга (около 640 км).

В основе прототипа британских исследователей лежит очень пористый, можно сказать «пушистый», углеродный электрод изготовленный из графена (материал, образованный слоем атомов углерода толщиной в один атом) и различные добавки, которые меняют ход химических реакций при работе батареи, делая ее более стабильной и эффективной. Результаты работы опубликованы в журнале Science, а сама технология имеет достаточно хорошие перспективы. В тоже время, исследователи отмечают, что до практической реализации открытия может пройти около 10 лет.

Большинство технологических устройств, используемых нами в повседневной жизни, становятся меньше, быстрее и дешевле с каждым годом. Исключение составляют лишь батареи. Помимо возможности создания аккумуляторов для мобильных устройств, которые не нужно будет подзаряжать каждый день, новая батарея обеспечит решениями две основные современные области «зеленых» технологий – электромобили и системы хранения энергии для солнечных установок.

Читайте также: Искусственное Солнце с голубым небом в оконных системах CoeLux: имитация на грани с реальностью

В литий-ионных батареях, которые используются в ноутбуках и смартфонах, отрицательный электрод сделан из графита (одна из форм углерода), положительный электрод сделан из металлического оксида, например, оксида литий-кобальта. Они размещены в электролите, состоящем из смеси солей лития и органических растворителей. Работа батареи зависит от движения ионов лития между двумя электродами. Литий-ионные батареи сравнительно легки, но их накопительная способность со временем уменьшается, а небольшая энергетическая плотность означает, что их нужно часто перезаряжать.

Британские ученые использовали в своей работе совершенно другие химические процессы, в отличие от тех, что ранее применялись в безжидкостных литиевых батареях. За основу был взят гидроксид лития (LiOH) вместо пероксида лития (Li2O2). С добавлением воды и использованием иодида лития в качестве «посредника», в их батарее происходит меньше химических реакций, приводящих к разрушению ячеек, что позволяет увеличить потенциал выносливости к множественным циклам перезарядки.

Благодаря точному расчету нужной структуры электрода и степени его пористости, использованию иодида лития и изменению состава электролита, ученым удалось снизить разницу потенциалов во время зарядки и разрядки до 0,2 вольт. Небольшая разница напряжений позволила увеличить эффективность тестируемой батареи (предыдущие версии могли поддерживать разницу на уровне 0,5 – 1 вольт) до 93%.

Читайте также: Фотоэлементы на основе японского искусства киригами на 30% эффективнее обычных солнечных панелей

Высокопористый графеновый электрод также поспособствовал увеличению емкости прототипа, однако это происходит до определенного уровня количества циклов перезарядки. Также необходимо будет решить проблему защиты металлических электродов путем предотвращения формирования ими веретенообразных литиевый волокон, так называемых «дендритов», которые могут вывести батарею из строя создав в ней короткое замыкание. Кроме того, опытный образец может функционировать только в чистом кислороде, в то время как воздух вокруг нас насыщен углекислым газом, азотом и влагой, которые могут нанести вред металлическому электроду.

Источник: phys.org