В МГУ исследовали причину недолговечности аккумуляторов будущего

Перед учеными и производителями все время возникает задача создания новых типов аккумуляторов

Электрохимические ячейки, использующиеся для исследования процессов в литий-воздушных аккумуляторах. Фото Даниил Иткис с сайта msu.ru

Ученые факультета наук о материалах и химического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова работают над усовершенствованием литий-воздушных аккумуляторов, которые во много раз превышают ключевые показатели литий-ионных аккумуляторов.

Результаты исследований представлены в статье, недавно опубликованной в журнале The Journal of Physical Chemistry C.

Перед учеными и производителями все время возникает задача создания новых типов аккумуляторов: более легких, но в то же время более мощных и энергоемких. Поэтому современные литий-ионные аккумуляторы смогут быть вытеснены так называемыми литий-воздушными аккумуляторами. Такие аккумуляторы смогут запасать в пять раз больше энергии по сравнению с обычными литий-ионными. Одна из областей, где они могут произвести революцию, - электромобили, которые сейчас питаются от литий-ионных аккумуляторов.

Работа ученых МГУ имени М.В.Ломоносова посвящена исследованию процессов электрохимического восстановления кислорода в литий-воздушном аккумуляторе. Механизм работы литий-воздушного аккумулятора заключается в следующем: при разряде аккумулятора отрицательный электрод, представляющий собой литиевую фольгу, растворяется, и образующиеся ионы лития мигрируют через слой электролита к положительному электроду.

Положительный электрод - это пористая углеродная губка, пропитанная электролитом. Кислород воздуха, поступающий в ячейку снаружи, растворяется в электролите, и его молекулы достигают углеродного положительного электрода. Именно на границе углерода и электролита и протекает один из ключевых процессов - электрохимическое восстановление кислорода. Молекулы кислорода получают электроны из углеродного материала, а потом соединяются с ионами лития. В конечном счете 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 в литий-ионном аккумуляторе металлического лития нет: и в отрицательном, и в положительном электроде литий находится в форме ионов (отсюда и название). Удельная энергия литий-ионного аккумулятора, достигнутая сегодня, составляет 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 литий-воздушном аккумуляторе активных материалов для внедрения лития не требуется, и масса аккумулятора получается меньше. Поэтому энергозапас на единицу массы у таких аккумуляторов должен быть выше.

«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.

На данный момент литий-воздушный аккумулятор невозможно перезарядить более чем несколько раз. После нескольких циклов перезаряда аккумулятора углеродный положительный электрод, на котором происходит реакция кислорода с литием, перестает проводить электрический ток. Это происходит из-за образующихся супероксид-анионов. Эти частицы настолько активны, что провоцируют реакции окисления электролита и углеродного электрода. При этом материалы «портятся», а электролит расходуется на эти побочные процессы. Поиск уязвимых мест в углеродном материале, которые подвергаются деструкции, позволит ученым приблизить литий-воздушные аккумуляторы к реальности и впоследствии перенести их изготовление из лаборатории на масштабное производство.

Ранее ученые из МГУ имени М.В.Ломоносова в соавторстве с американскими коллегами обнаружили, что восстановление кислорода может протекать по-разному в зависимости от свойств используемого электролита. Теперь научная группа Даниила Иткиса показала, что механизм реакции может быть различным и в зависимости от степени дефектности углеродного материала, из которого изготавливают электроды. В своей работе ученые сравнивали, как протекает процесс на разных модельных графитовых электродах. Ранее в других своих работах исследователи предположили, что атака на углеродные материалы супероксид-анионов начинается в местах, где в углероде есть дефекты. В данной работе ученые подтвердили эту гипотезу в реально используемых электролитах.

«Глобально результат неутешительный, так как совсем бездефектным материал быть не может. Это означает, что нужно искать пути, как сместить зону, где протекает реакция подальше от углеродного материала. Над этим мы сейчас активно думаем», - рассказывает Даниил Иткис.

«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», - добавляет ученый.