Испытан новый тип электрохимического аккумулятора
Необычная батарея, обладающая одновременно чертами топливных элементов и литиево-ионных аккумуляторов, способна в разы превзойти последние по удельной ёмкости. Лабораторный прототип устройства построила группа учёных под руководством профессора Питера Брюса (Peter Bruce) из университета Сент-Эндрю.
Если в топливных элементах и топливо и окислитель поступают извне, а в аккумуляторах все компоненты, необходимые для реакции, находятся в самой батарее, то в новом элементе топливо всегда расположено в корпусе устройства, а вот кислород, необходимый для его окисления, поступает из атмосферы.
Тут сразу вспоминаются воздушно-цинковые батареи (Zinc-air battery), но они либо одноразовые, либо нуждаются в механической перезарядке (смене картриджа). Новичок же действует как обычный аккумулятор — он способен заряжаться от сети.
Всё дело в том, что по сути он представляет собой литиево-ионную батарею (Lithium-ion Battery). Только очень специфического типа — это литиево-кислородная батарея (Lithium Oxygen Battery), или иначе — Li-O2 ячейка.
Опытный прототип устройства, построенный Питером Брюсом и его коллегами (фото Peter Bruce/EPSRC).
Классический литиево-ионный аккумулятор содержит анод из графита, катод из оксида кобальта лития (хотя тут возможны варианты) и электролит, содержащий литиевую соль.
Ионы лития курсируют между двумя электродами в процессе зарядки и разрядки, отправляя электроны во внешнюю цепь в ту или иную сторону.
Проблема, по мнению Брюса, заключается в том, что оксид кобальта лития — громоздкая и тяжёлая часть устройства. Именно положительный электрод учёный считает главным препятствием для увеличения плотности энергии в таких батареях.
Потому в новой ячейке Питер заменил традиционный катод на тонкую пластинку из очень лёгкого высокопористого углерода, с добавкой высокоэффективного катализатора, который с одной стороны пропитывается электролитом, а с другой — сообщается через мембрану с атмосферным воздухом.
Когда такой аккумулятор отдаёт ток в нагрузку, кислород из воздуха проникает в пористый углерод, где вступает в реакцию с ионами лития из электролита и, забирая электроны из внешней цепи, образует оксид лития Li2O2.
Пока это сильно напоминает воздушно-цинковую батарею. Но прелесть разработки в том, что все реакции тут обратимы: если новый аккумулятор заряжать от розетки — оксид разлагается, высвобождая ионы лития в электролит, а кислород — обратно в атмосферу.
Схема литиево-кислородной перезаряжаемой батареи (иллюстрация с сайта chemistry.st-and.ac.uk).
Анализ опытной ячейки при помощи рентгеновской дифракции показал, что весь оксид лития, который формируется при разряде, полностью разлагается во время заряда батареи. О том же говорит и масс-спектрометрия, зафиксировавшая выход кислорода во время подзарядки аккумулятора.
При этом по удельной ёмкости на единицу веса Li-O2 ячейка превзошла обычные литиевые батарейки для сотовых телефонов в 8 раз, — сообщают авторы разработки.
И это ещё не предел. По теории, отдачу такой ячёйки можно поднять ещё, скажем, до 10 раз против стандартного аккумулятора, — говорят исследователи.
Правда, когда она будет превращена не в лабораторный прототип, собранный на коленке, а в стандартный аккумулятор для мобильника с пластиковым корпусом и прочими сопутствующими элементами, причём пригодный для массового производства, показатели Li-O2 батареи окажутся куда скромнее — «всего» вдвое лучше, чем у сегодняшних литиевых аккумуляторов, — сообщает Брюс.
Однако прежде чем это случится, нужно будет ещё подробнее изучить процессы, идущие во время разряда и заряда такой ячейки — в частности, подобрать лучшие катализаторы (они играют ключевую роль в восстановлении лития и выпуске кислорода обратно в воздух).
Читайте также о проекте электрохимического элемента, превосходящего по энергоёмкости бензин, о работающем прототипе тонкоплёночной батареи с твёрдым электролитом, обходящем литиевые ячейки по ёмкости, и об экспериментальном аккумуляторе, заряжающемся за 9 секунд.
АККУМУЛЯТОР БУДУЩЕГО ОТ MIT И SAMSUNG, КОТОРЫЙ БУДЕТ РАБОТАТЬ ПОЧТИ ВЕЧНО !!!
