Основным фактором, сдерживающим развитие современных электрических транспортных средств, является энергоемкость, вес и цена литий-ионных аккумуляторов. Однако, уже скоро ситуация может вскоре измениться благодаря появлению литий-кислородных батарей. Совсем недавно исследователи из известного всем Кембриджского университета провели лабораторную демонстрацию литий-кислородных аккумуляторов, энергоемкость которых в 10 раз больше, чем применяемых в нынешних электромобилях литий-ионных аккумуляторов, и практически равна энергоемкости бензина. Кроме того, что эти аккумуляторы вмещают больше энергии, они еще и могут перезаряжаться более 2000 раз до 90% емкости и более. Большинство современных литий-ионных батарей — только до 80%-90%.
Но примечательнее всего то, что литий-кислородные аккумуляторы могут быть в 5 раз дешевле и в 5 раз легче литий-ионных. Если все эти данные верны, электромобили могут проезжать до 400 км без остановки для подзарядки. Разумеется, такие аккумуляторы можно будет использовать и в других областях.
Литий-кислородные батареи представляют собой один из самых многообещающих путей развития в этом направлении. Они могут увеличить плотность энергии на несколько порядков по сравнению с традиционными литий-ионными батареями — по крайней мере, в теории. В работе, опубликованной вчера в журнале Science, ученые из Университета Ватерлоо выяснили, как разрешить самые большие препятствия на пути к становлению этих батарей в роли коммерческой реальности.
Разница между литий-кислородными и литий-ионными аккумуляторами в электродах. В первых вместо графита используется графен. Этот материал обладает высокой пористостью и в сочетании с литий йодидом обеспечивает понижение разницы между зарядкой и разрядкой до 0,2 В, делая аккумулятор более эффективным.
Тем не менее, как и в предыдущих образцах аккумуляторов большей мощности, здесь тоже возникают проблемы с металлическим волокном, дендритом, которое образуется на электродах, вызывая короткое замыкание или даже взрыв. А исследователи пока не знают способов защитить металлические электроды от диоксидов, углерода и влаги вокруг батареи.
В чем была загвоздка? Самое главное: когда литий-кислородные батареи разряжались, кислород превращался в супероксид и затем в пероксид лития, реактивные компоненты, которые разъедали батарею со временем. Это, в свою очередь, ограничивало ее способности к перезарядке — и возможное полезное применение.
Когда у нас будут батареи получше? Что изменилось? Для решения это проблемы, ученые перешли от углеродного катода к катоду из оксида никеля при поддержке сетки из нержавеющей стали. Также в качестве электролита использовалась плавленая соль — электролит позволяет положительно заряженным ионам перемещаться между электродами — и подняли рабочую температуру батареи до 150 градусов Цельсия. Это позволило увеличить число циклов зарядки почти в три раза по сравнению с обычныеми литий-кислородными вариантами. Также ученым удалось увеличить содержание энергии на единицу массы более чем на 50%.
«Это открытие подчеркивает огромные возможности — создать новые технологии батарей, которые потенциально смогут бросить вызов литий-ионным батареям и другим методам хранения», пишут ученые.
