Версия для слабовидящих
Титан придал литий-воздушным батареям небывалую долговечность Печать Email
Новости науки
11.12.2013
Инженеры, подарившие нам современные литий-ионные батареи, сделали большое дело. Попробуйте представить мир без них: вместе со смартфонами вы носили бы тяжёлый и опасный свинцовый аккумулятор... Впрочем, нет, не носили бы. Потому что он не влез бы в карман, а таскать специальный рюкзачок для него мало кто согласится. Про планшеты, букридеры и прочие ноутбуки и говорить не стоит: «ноут» в одной сумке со здоровенным аналогом UPS в другой — кому это надо?..

Но даже лучшие инженеры не могут обмануть законы физики: литий-ионная эра, по сути, упёрлась в свой потолок, и либо нам нужны принципиально другие батареи, либо мы никогда не увидим дешёвых массовых электромобилей, а наши ненаглядные электровертолёты и самолёты так и останутся аппаратами, проводящими в воздухе не более получаса.

Электрод из карбида титана a) до первого рабочего цикла, b) после него и с) после сотого рабочего цикла. Хорошо видна весьма малая деградация электрода после начала работы. Сотня циклов для него явно не предел. (Здесь и ниже иллюстрации Peter G. Bruce et al.)


Одним из наиболее перспективных кандидатов в «аккумуляторы будущего» выглядят литий-воздушные батареи. Принцип их работы близок к сжиганию жидкого топлива: литий окисляется, давая в несколько раз больше энергии на единицу веса и объёма, чем это могут сделать сегодняшние массовые образцы батарей, и даже больше, чем недавно серьёзно усовершенствованные литий-серные. Наконец, сам окислитель они берут из окружающего воздуха (откуда и название), что позволяет не «возить» его с собой, дополнительно снижая массу.

Вот только живут «литий-воздушники» всего ничего: кроме реакции с кислородом, литий в аккумуляторах реагирует с электролитом и электродами, забирая у тех углерод и образуя карбонат лития. Последний весьма стабилен, и если оксид лития при зарядке батареи восстанавливается, то карбонат остаётся. И с каждым циклом его становится всё больше, а с кислородом взаимодействует всё меньше лития — то есть ёмкость накопителя падает драматически быстро. Обычно они выдерживают не более нескольких десятков циклов зарядки-разрядки, что делает их непрактичными даже с учётом значительной ёмкости.

Исследователи из Сент-Эндрюсского университета (Шотландия) во главе с Питером Брюсом (Peter G. Bruce) попробовали изменить электролит и электрод. Первый был выполнен ими не из стандартной смеси диметилэфира и тетраэтиленгликоля, а из диметилсульфоксида. Одна молекула последнего содержит всего два атома углерода [(CH3)2SO], в то время как у первого вещества их десять на молекулу. Таким образом, образование карбоната лития с таким электролитом хотя и возможно, но происходит куда реже.

Графики испытаний новой и обычной литий-воздушной батареи. Новинка демонстрирует весьма стабильное поведение (в отличие от контрольного образа). Для сравнения: традиционные литий-ионные аккумуляторы могут похвастаться удельной ёмкостью около 140–180 мА•ч/г.


А вот с более стабильным материалом для электрода пришлось помучиться. В принципе, подходило нанопористое золото, известное своей химической стабильностью. Да только золото дорого, и его использование изначально задрало бы цену новых батарей и на вес повлияло бы негативно. И тогда разработчики обратились к карбиду титана (TiC). Это исключительно устойчивое к химическим и температурным воздействиям соединение; в то же время оно сохраняет способность к переносу электронов.

Такие электроды были испытаны вместе с новым электролитом, и созданная на их основе литий-воздушная батарея показала сохранение более чем 98% ёмкости после 100 циклов зарядки-разрядки. Контрольный образец обычного аккумулятора такого типа продержался всего 25 циклов, хотя и использовался с меньшей плотностью тока и общей ёмкостью. Кстати, даже электроды с нанопористым золотом после того же количества циклов позволяли батарее сохранять лишь 95% изначальной ёмкости, то есть карбид титана оказался и дешевле, и лучше своего «благородного» аналога.

Более того, новый органический материал для электролита, похоже, не повинен в образовании карбоната лития, и то его количество, которое вообще образуется, происходит скорее от материала электрода. Благодаря этому в батарее нет накопления углекислого газа во время разрядки.

Tesla Model S с батареями максимальной ёмкости «освоит» тысячу циклов зарядки-разрядки примерно за 400–500 тыс. км, то есть батарей с живучестью в 1 000 циклов более чем хватит на весь жизненный путь дальнего электромобиля. (Фото Tesla Motors.)


В итоге общие посторонние реакции (а это главная причина деградации «литий-воздушников» со временем), по сообщениям исследователей, удалось сократить в сорок раз, что впечатляет. Линейно экстраполируя данные по накоплению карбоната лития, можно предположить, что даже после 1 000 циклов его будет не более 2% от общей массы. Иначе говоря, карбид титана показал себя отличной и при этом вчетверо более лёгкой заменой дорогого золота.

Что ж, похоже, ингредиенты для новой революции в области накопителей энергии готовы: «литий-воздушники» на порядок более ёмки, чем литий-ионные батареи, и в пару раз превосходят в этом отношении даже литий-серные. А судя по сохранению ёмкости после ста циклов, их новый образец вполне можно использовать куда дольше — то есть он по-настоящему годится для электромобилей с дальностью пробега 500+ км и способен радикально изменить длительность работы портативной электроники.

Именно дальнейшая оптимизация разработки, включая холодоустойчивые добавки в электролит, а также её испытание для большого количества циклов зарядки-разрядки и есть нынешние задачи исследователей.

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Nature Materials.

Подготовлено по материалам Ars Technica. Изображения на заставках принадлежат Shutterstock (1 и 2.)

Материал подготовлен при поддержке проекта

Источник - http://compulenta.computerra.ru/tehnika/devices/10010540/

 

Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта