Відділ механізації

Схоже, новий тип накопичувачів в прямому сенсі готовий замінити літій-іонні акумулятори, причому з великою користю для споживачів – від власників електромобілів до молільників на нові смартфони і планшети.

Інженери, які подарували нам сучасні літій-іонні батареї, зробили велику справу. Спробуйте уявити світ без них: разом зі смартфонами ви носили б важкий і небезпечний свинцевий акумулятор… Втім, ні, не носили б. Тому що він не вліз би в кишеню, а тягати спеціальний рюкзачок для нього мало хто погодиться. Про планшети, букрідери та інші ноутбуки і говорити не варто: «ноут» в одній сумці, а здоровенний аналог UPS в іншій – кому це треба?

Але навіть кращі інженери не можуть обдурити закони фізики: літій-іонна ера, по суті, вперлася в свою стелю і, або нам потрібні принципово інші батареї, або ми ніколи не побачимо дешевих масових електромобілів, а наші ненаглядні електричні гелікоптери і літаки так і залишаться апаратами, які проводять в повітрі не більше півгодини.

Одним з найперспективніших кандидатів в «акумулятори майбутнього» виглядають літій-повітряні батареї. Принцип їх роботи близький до спалювання рідкого палива: літій окислюється, даючи в кілька разів більше енергії на одиницю ваги і об’єму, ніж це можуть зробити сьогоднішні масові зразки батарей, і навіть більше, ніж недавно серйозно вдосконалені літій-сірчані. Нарешті, сам окислювач вони беруть з навколишнього повітря (звідки й назва), що дозволяє не «возити» його з собою, додатково знижуючи масу.

Ось тільки живуть «літій-повітряняники» всього нічого: крім реакції з киснем, літій в акумуляторах реагує з електролітом і електродами, забираючи у тих вуглець і утворюючи карбонат літію. Останній вельми стабільний, і якщо оксид літію при зарядці батареї відновлюється, то карбонат залишається. І з кожним циклом його стає все більше, а з киснем взаємодіє все менше літію – тобто ємність накопичувача падає драматично швидко. Зазвичай вони витримують не більше кількох десятків циклів зарядки-розрядки, що робить їх непрактичними навіть з урахуванням значної ємності.

Дослідники з Сент-Ендрюського університету (Шотландія) на чолі з Пітером Брюсом (Peter G. Bruce) спробували змінити електроліт і електрод. Перший був виконаний ними не з стандартної суміші диметилестера і тетраетіленгліколя, а з диметилсульфоксиду. Одна молекула останнього містить всього два атоми вуглецю (CH₃)2SO, в той час як у першої речовини їх десять на молекулу. Таким чином, утворення карбонату літію з таким електролітом хоча і можливо, але відбувається куди рідше.

А ось з стабільнішим матеріалом для електрода довелося помучитися. В принципі, підходило нанопористе золото, відоме своєю хімічною стабільністю. Та тільки золото дороге, і його використання збільшило б ціну нових батарей і на вагу також вплинуло б негативно. І тоді розробники звернулися до карбіду титану (TiC). Це виключно стійке до хімічних і температурних впливів з’єднання; в той же час воно зберігає здатність до переносу електронів.

Такі електроди були випробувані разом з новим електролітом, і створена на їх основі літій-повітряна батарея показала збереження більш ніж 98% ємності після 100 циклів зарядки-розрядки. Контрольний зразок звичайного акумулятора такого типу протримався всього 25 циклів, хоча і використовувався з меншою щільністю струму і загальною ємністю. До речі, навіть електроди з нанопористим золотом після тої ж кількості циклів дозволяли батареї зберігати лише 95% початкової ємності, тобто карбід титану виявився і дешевшим, і кращим свого «благородного» аналога.

Більше того, новий органічний матеріал для електроліту, схоже, не винен в утворенні карбонату літію, і та його кількість, яка взагалі утворюється, відбувається швидше від матеріалу електрода. Завдяки цьому в батареї немає накопичення вуглекислого газу під час розрядки.

У підсумку загальні сторонні реакції (а це головна причина деградації літій-повітряних батарей з часом), за повідомленнями дослідників, вдалося скоротити в сорок разів, що вражає. Лінійно екстраполюючи дані з накопичення карбонату літію, можна припустити, що навіть після 1000 циклів його буде не більше 2% від загальної маси. Інакше кажучи, карбід титану показав себе відмінною і при цьому вчетверо легшою заміною дорогого золота.

Що ж, схоже, інгредієнти для нової революції в області накопичувачів енергії готові: літій-повітряні батареї мають на порядок більшу ємність, ніж літій-іонні, і в декілька разів перевершують в цьому відношенні навіть літій-сірчані. А судячи по збереженню ємності після ста циклів, їх новий зразок цілком можна використовувати куди довше – тобто він по-справжньому годиться для електромобілів з дальністю пробігу 500+ км і здатний радикально змінити тривалість роботи портативної електроніки.

Нинішнім завданням дослідників є подальша оптимізація розробки, включаючи холодостійкі добавки в електроліт, а також її випробування для великої кількості циклів зарядки-розрядки.

Звіт про дослідження опублікований в журналі Nature Materials. Підготовлено за матеріалами Компьюлента.