Ученые из Кембриджского университета разработали новую технологию, которая была воплощена в виде первых опытных образцов литиево-воздушных аккумуляторных батарей. Как показали проведенные испытания, эти батареи обладают очень высоким показателем плотности энергии, их эффективность составляет порядка 90 процентов и они могут выдержать без потери своей емкости около 2 тысяч циклов заряда-разрядки. Однако, практическое использование этой новой технологии сдерживается наличием ряда проблем, которые ученые намерены решить в ближайшее время.
Die Prozesse in der neuen Batterie
Литиево-воздушные батареи уже достаточно давно рассматриваются в качестве кандидатов на их использование в электрических автомобилях, в мобильных электронных устройствах и в системах промежуточного хранения энергии, добытой из экологически чистых возобновляемых источников. И эти перспективы являются следствием очень высокого показателя плотности хранения энергии, который в десять раз превышает аналогичный показатель литий-ионных аккумуляторов. Такой высокий энергетический показатель уже сопоставим с количеством химической энергии, содержащимся в жидком топливе, в бензине. И все это позволит электрическим автомобилям с такими батареями преодолевать на одном заряде расстояния, сопоставимые с расстояниями, которые способны преодолевать обычные автомобили на одной заправке топливного бака.
Однако, когда дело касается аккумуляторных батарей следующего поколения, началу их практического применения препятствуют несколько проблем. И эти проблемы должны быть решены, прежде чем литиево-воздушные технологии станут жизнеспособной альтернативной жидкому топливу. Создавая свою новую батарею, кембриджские ученые как раз и были нацелены на решение некоторых из вышеупомянутых проблем. И им удалость добиться не только повышения энергетических показателей батареи, но и обеспечить более высокую стабильность ее работы.
В конструкции новой батареи используется “пушистый” углеродный электрод, изготовленный на основе графена с особыми добавками, которые изменяют некоторые из происходящих в районе электрода химических реакций, делая их более эффективными и стабильными. Ключевым моментом новой технологии стало использование гидроокиси лития LiOH вместо пероксида лития Li2O2 и использования йодида лития в качестве своего рода посредника. В результате таких изменений внутри новых батарей протекает меньшее количество химических реакций, что делает ее более надежной и способной выдержать без потерь своих характеристик большее количество циклов.
Graphen-Elektroden
Изменение химической составляющей процессов в новой батарее привело к уменьшению разности напряжений батареи в заряженном и разряженном состоянии, которая составляет в данном случае всего 0.2 Вольта. Такое значение указывает на высокую эффективность ее работы, которая уже вплотную приблизилась к эффективности литий-ионных батарей и которая составляет 93 процента. Пористый графеновый электрод, имеющий большое значение эффективной площади, также вносит свою лепту в дело улучшения характеристик новой батареи, однако это служит своего рода ограничением, не позволяющим использовать новые батареи в некоторых экстремальных режимах заряда и разрядки.
Среди проблем, которые еще предстоит решить ученым, является поиск технологии защиты второго, металлического электрода от формирования близ него металлических волокон, известных как дендриты. Если такие металлические нити возникают в достаточно большом количестве, это приводит к внутреннему короткому замыканию, что чревато быстрым нагревом батареи во время работы и возникновением возможности ее возгорания и даже взрыва.
“Нам предстоит провести еще массу фундаментальных исследований, которые позволят решить все имеющиеся у нашей батареи проблемы” – пишут исследователи, – “Тем не менее, мы уже наглядно продемонстрировали, что неразрешимых проблем в этой области не существует, и в не очень далеком будущем, максимум через пять-десять лет, человечество получит в свое распоряжение новые аккумуляторные батареи, которые полностью изменят некоторые аспекты нашей жизни”.
