Новый дизайн для лития

Новые батареи однажды смогут питать автомобили, самолеты и грузовики.

Министерство энергетики / Аргоннская национальная лаборатория

Изображение: На схеме показан элемент литий-воздушной батареи, состоящий из литий-металлического анода, воздушного катода и твердого керамического полимерного электролита (CPE). При разряде и заряде ионы лития (Li+) переходят от анода к катоду, а затем обратно.посмотреть больше

Фото: (Изображение Аргоннской национальной лаборатории.)

Многие владельцы электромобилей мечтали о аккумуляторной батарее, которая могла бы проехать более тысячи миль без подзарядки. Исследователи Иллинойского технологического института (IIT) и Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE) разработали литий-воздушную батарею, которая может воплотить эту мечту в реальность. Новая конструкция батареи, разработанная командой, однажды сможет питать отечественные самолеты и дальнемагистральные грузовики.

Основным новым компонентом этой литий-воздушной батареи является твердый электролит вместо обычного жидкого. Аккумуляторы с твердыми электролитами не подвержены проблемам безопасности с жидкими электролитами, используемыми в литий-ионных и других типах аккумуляторов, которые могут перегреться и загореться.

«Литий-воздушная батарея имеет самую высокую прогнозируемую плотность энергии среди всех аккумуляторных технологий, рассматриваемых для следующего поколения батарей, помимо литий-ионных». — Ларри Кёртисс, заслуженный научный сотрудник Аргонна

Что еще более важно, командахимический состав батареи с твердым электролитом потенциально может повысить плотность энергии в четыре раза по сравнению с литий-ионными батареями, что приводит к увеличению дальности пробега.

«Более десяти лет ученые в Аргонне и других местах работали сверхурочно над разработкой литиевой батареи, которая будет использовать кислород воздуха», — сказал Ларри Кертисс, почетный научный сотрудник Аргонны. «Литий-воздушная батарея имеет самую высокую прогнозируемую плотность энергии среди всех аккумуляторных технологий, рассматриваемых для следующего поколения батарей, помимо литий-ионных».

В прошлых литий-воздушных конструкциях литий в литий-металлическом аноде проходит через жидкий электролит, соединяясь с кислородом во время разряда, образуя на катоде пероксид лития (Li2O2) или супероксид (LiO2). Затем во время зарядки пероксид или супероксид лития снова расщепляется на литиевые и кислородные компоненты. Эта химическая последовательность сохраняет и высвобождает энергию по мере необходимости.

Новый твердый электролит команды состоит из керамического полимерного материала, изготовленного из относительно недорогих элементов в форме наночастиц. Это новое твердое вещество позволяет проводить химические реакции, в результате которых при разряде образуется оксид лития (Li2O).

«Химическая реакция супероксида или пероксида лития включает только один или два электрона, хранящихся на молекуле кислорода, тогда как реакция оксида лития включает четыре электрона», — сказал химик из Аргонна Рашид Амин. Больше сохраненных электронов означает более высокую плотность энергии.

Разработанная командой литий-воздушная батарея является первой литий-воздушной батареей, в которой достигается четырехэлектронная реакция при комнатной температуре. Он также работает с кислородом, подаваемым из воздуха из окружающей среды. Возможность работы на воздухе позволяет избежать необходимости использования кислородных баллонов, что было проблемой более ранних конструкций.

Команда использовала множество различных методов, чтобы установить, что четырехэлектронная реакция действительно имеет место. Одним из ключевых методов была трансмиссионная электронная микроскопия (ПЭМ) продуктов разряда на поверхности катода, которая проводилась в Аргоннском Центре наноразмерных материалов, являющемся пользовательским центром Управления науки Министерства энергетики США. Изображения ПЭМ предоставили ценную информацию о механизме четырехэлектронного разряда.

Раньше литий-воздушные испытательные элементы имели очень короткий срок службы. Команда установила, что этот недостаток отсутствует в их новой конструкции батареи, создав и проработав испытательный элемент в течение 1000 циклов, продемонстрировав его стабильность при многократной зарядке и разрядке.

«При дальнейшем развитии мы ожидаем, что наша новая конструкция литий-воздушной батареи также достигнет рекордной плотности энергии в 1200 ватт-часов на килограмм», — сказал Кёртисс. «Это почти в четыре раза лучше, чем у литий-ионных батарей».