Титан придал литий-воздушным батареям небывалую долговечность Печать
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/