Ахиллесовой пятой современной техники является источник питания. Ни производители, ни ученые не могут явить миру аккумулятор, который по ключевым параметрам соответствовал бы вызовам ХХI века. Группа Даниила Иткиса из МГУ имени М.В.Ломоносова изучила процессы, протекающие в литий-воздушных аккумуляторных батареях (ЛВАБ) и попыталась разобраться в перспективности этой технологии, во много раз превышающей показатели энергоемкости литий-ионных аккумуляторных батарей (ЛИАБ).
Электрохимические ячейки, использующиеся для исследования процессов в литий-воздушных аккумуляторах.
Источник: Даниил Иткис, МГУ.
Работа ученых МГУ имени М.В.Ломоносова направлена на изучение электрохимического восстановления кислорода в литий-воздушном аккумуляторе. Механизм работы ЛВАБ заключается в следующем: при разряде АБ отрицательный электрод (это литиевая фольга), растворяется, и образующиеся ионы лития мигрируют через слой электролита к положительному электроду – пористой углеродной губке, пропитанной электролитом. Кислород воздуха, поступающий в ячейку снаружи, растворяется в электролите, и его молекулы достигают углеродного положительного электрода. Именно на границе углерода и электролита протекает электрохимическое восстановление кислорода. Молекулы кислорода, получая электроны из углеродного материала, соединяются с ионами лития. В итоге образуется продукт разряда аккумулятора — твердый пероксид лития, который оседает в порах углеродного материала. Но образуется пероксид не сразу — сначала получаются очень активные частицы, супероксид-анионы.
А вот в ЛИАБ металлического лития нет: и в отрицательном, и в положительном электроде литий находится в форме ионов (отсюда и название). Показатели удельной энергии ЛИАБ (на сегодня) составляют 220-240 Вт*ч/кг (в расчете на массу ячеек с учетом массы корпуса). Более половины массы ячейки составляют активные материалы, в которые внедряется литий. Все остальное — это электролит, токосъемники, корпус и различные добавки. В ЛВАБ активных материалов для внедрения лития не требуется. Как следствие, меньшая масса аккумулятора. Поэтому и энергозапас на единицу массы у таких АБ должен быть выше.
Но не все так радужно и самое главное, что ЛВАБ можно перезарядить всего лишь несколько раз, после чего углеродный положительный электрод перестает проводить электрический ток. Затем материалы «портятся», а электролит расходуется на побочные процессы окисления. Поиск уязвимых мест в углеродном материале, которые подвергаются деструкции, позволит ученым приблизить ЛВАБ к реальности, чтобы перенести их изготовление из лаборатории на производство.
«Разработка нового типа металл-воздушных батарей с неводными электролитами, а именно литий-воздушных источников тока, наделав много шума несколько лет назад, сегодня зашла в тупик. Оказалось, что восстановление кислорода в этих литий-воздушных аккумуляторах проходит крайне сложно и многоступенчато и к тому же сопровождается кучей нежелательных побочных реакций. Желание многих исследователей и инноваторов поскорее коммерциализировать такие батарейки, которые могли бы превысить ключевые показатели литий-ионных аккумуляторов во много раз, оказалось нереализуемым без глубокого понимания механизмов процессов, протекающих внутри аккумулятора», — комментирует один из авторов исследования, старший научный сотрудник кафедры неорганической химии химического факультета МГУ имени М.В.Ломоносова, кандидат химических наук Даниил Иткис.
Научная группа Даниила Иткиса показала, что механизм реакции может быть различным и в зависимости от степени дефектности углеродного материала, из которого изготавливают электроды. Ученые сравнивали протекание процессов на разных модельных графитовых электродах. Ранее исследователи предположили, что атака на углеродные материалы супероксид-анионов начинается в местах, где присутствуют дефекты углерода, и последняя работа подтвердила гипотезу в реально используемых электролитах.
«Сказать, будут ли литий-воздушные аккумуляторы дешевле или дороже литий-ионных, пока трудно. Гипотетически, дешевле. Но все дело в деталях . Может оказаться, что для достижения перезаряжаемости придется добавлять какие-то очень дорогие добавки, например. Могу сказать, что до 2020-2025 года ожидать каких-то серийных образцов точно не стоит», — говорит ученый.
Полностью результаты исследований представлены в статье, опубликованной в журнале The Journal of Physical Chemistry С.