Американские инженеры представили новую конструкцию литий-воздушной батареи для электрокаров

Исследователи из Иллинойского технологического института (IIT) и Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE) разработали литий-воздушную батарею, которая может воплотить эту мечту электрокары с большим запасом хода. Новая конструкция батареи, разработанняа командой, однажды сможет питать самолеты и дальнемагистральные грузовики.

Основным новым компонентом в этой литий-воздушной батарее является твердый электролит вместо привычной жидкой разновидности. Что еще более важно, химия батареи с твердым электролитом потенциально может повысить плотность энергии в четыре раза по сравнению с литий-ионными батареями, что приводит к увеличению дальности движения.

Более десяти лет ученые в Аргонне и других местах работали сверхурочно, чтобы разработать литиевую батарею, которая использует кислород воздуха. Литий-воздушная батарея имеет самую высокую прогнозируемую плотность энергии среди всех аккумуляторных технологий, рассматриваемых для следующего поколения аккумуляторов помимо литий-ионных,

сказал Ларри Кертисс, почетный научный сотрудник Аргонны.

В предыдущих литий-воздушных конструкциях литий в литий-металлическом аноде перемещался через жидкий электролит, чтобы соединиться с кислородом во время разряда, образуя пероксид лития (Li2O2) или супероксид лития (LiO2) на катоде. Затем перекись или супероксид лития снова расщепляется на литий и кислород во время зарядки. Эта химическая последовательность сохраняет и высвобождает энергию по требованию.

Новый твердый электролит 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 для супероксида или пероксида лития включает только один или два электрона, хранящихся на молекулу кислорода, тогда как для оксида лития участвуют четыре электрона. Больше сохраненных электронов означает более высокую плотность энергии,

сказал аргоннский химик Рашид Амин. 

Литий-воздушная конструкция, разработанная командой, является первой литий-воздушной батареей, в которой достигнута четырехэлектронная реакция при комнатной температуре. Он также работает с кислородом, поступающим с воздухом из окружающей среды. Возможность работы с воздухом позволяет избежать необходимости использования кислородных баллонов, что было проблемой более ранних конструкций.

Команда использовала множество различных методов, чтобы установить, что на самом деле происходит четырехэлектронная реакция. Одним из ключевых методов была просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ) продуктов разряда на поверхности катода, которая была проведена в Аргоннском центре наноразмерных материалов, пользовательском объекте Управления науки Министерства энергетики США. Изображения ПЭМ предоставили ценную информацию о механизме четырехэлектронного разряда.

Прошлые испытательные литий-воздушные ячейки имели очень короткий срок службы. Команда установила, что этот недостаток не относится к их новой конструкции батареи, создав и проработав тестовую ячейку в течение 1000 циклов, продемонстрировав ее стабильность при многократном заряде и разряде.

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

сказал Кертис.