Пушистые углеродные электроды приближают литиево-воздушные батареи к реальности

В десять раз больше энергии, чем ион лития, но еще десять лет: пушистый углеродный электрод привел ученых из Кембриджского университета на шаг ближе к созданию работоспособной литиево-воздушной батареи, но многие технические проблемы остаются.

Сегодняшние литий-ионные батареи легкие, но громоздкие для заряда, который они хранят. Другие химические батареи имеют лучшую плотность энергии. В течение многих лет ученые искали способы сделать батареи со всеми преимуществами Li-ion, но занимают меньше места.

Литиево-воздушные батареи с теоретической плотностью энергии, в десять раз превышающей литий-ионную, являются рассматриваемых как путь вперед, но экспериментальные модели до сих пор оказались неустойчивыми, с плохими коэффициентами заряда или разряда и низкой энергоэффективностью. Хуже того, их можно эксплуатировать только в чистом кислороде, что делает их непрактичными для использования в нормальной атмосфере.

Проблема с атмосферой все еще не решена, но в статье, опубликованной в журнале Science в пятницу, исследователи из Кембриджского университета описывают, как они решают некоторые проблемы стабильности и эффективности, добавляя йодид лития и используя пушистый углеродный электрод из листов графена.

Положительные и отрицательные электроды в литий-ионных батареях выполнены из оксида металла и графита соответственно. Литиевая соль, растворенная в органическом растворителе, действует как электролит, несущий ионы лития между двумя электродами.

В литиево-воздушной батарее, разработанной Тао Лю, Клэр П. Грей и его коллегами из Кембриджа, углеродный электрод выполнен из пористая форма графена.

Они решили сохранить заряд, образуя и удаляя кристаллический гидроксид лития (LiOH), а не пероксид лития, используемый в других конструкциях литиево-воздушной батареи.

Добавив йодид лития, они смогли избежать многие из нежелательных химических реакций, которые медленно отравляли предыдущие проекты. Это улучшило стабильность ячейки даже после нескольких циклов заряда и разряда. До сих пор они могли перезаряжать ячейку в 2000 раз.

Эти и другие настройки для их конструкции позволили им сохранить разрыв напряжения между зарядом и разрядом в соответствии с напряжением в литий-ионных ячейках, примерно на 0,2 вольта, по сравнению до 0,5-1 В для других конструкций литиевого воздуха. Это, по их словам, делает их ячейку 93-процентной энергоэффективностью.

Есть еще множество проблем, которые нужно решить, хотя до того, как батарея войдет в коммерческое производство. Его мощность сильно зависит от скорости заряда и разряда, и она все еще подвержена образованию дендритов, волокон чистого лития, которые могут привести к короткому замыканию электрода батареи и вызвать взрыв. Существует также проблема воздуха, которая содержит азот, углекислый газ и водяной пар в дополнение к чистому кислороду, который требует экспериментальная ячейка.