Литий-воздух против литий-ион: экспертные инсайты и сравнение характеристик

Революционный дизайн литий-воздушной батареи: 750 циклов в естественной среде

"Наш дизайн литий-воздушной батареи — революция для батарейного сообщества", — заявил Амин Салехи-Кходжин, الأستاذ кафедры машиностроения Чикагского университета в Иллинойсе (UIC).

Салехи-Кходжин и коллеги из UIC и Аргоннской национальной лаборатории спроектировали электрохимическую ячейку, работающую в естественной воздушной среде и сохраняющую функциональность после рекордных 750 циклов заряда/разряда.

Принцип работы и преимущества

Литий-воздушная батарея соединяет кислород из воздуха с литием в аноде. При разряде образуется перекись лития, при заряде — обратное разложение. Теоретически такие батареи могут накапливать в 5 раз больше энергии, чем литий-ионные, питающие современные телефоны, ноутбуки и электромобили.

Проблемы ранних разработок

Ранние идеи "литий-воздух" часто проваливались: литий-ионы, реагируя с CO2 и водяным паром в воздухе, создавали побочные продукты, засоряющие катод.

Инновационное решение

Для предотвращения накопления и работы в естественном воздухе исследователи покрыли литийный анод тонким слоем карбоната лития. Покрытие селективно пропускает литий-ионы из анода в электролит, блокируя нежелательные соединения.

Кислород попадает в электролит через углеродную губчатую решётку, покрытую катализатором молибдендисульфата. Уникальный гибридный электролит (ионная жидкость + диметилсульфоксид) способствует литий-кислородным реакциям, минимизирует реакции лития с другими элементами воздуха и повышает эффективность.

Ответы эксперта Ларри Кёртиса (Аргоннская НЛ) на вопросы читателей

Скорость зарядки?

Кёртис: На данном этапе аналогична литий-ионной. Может быть увеличена дальнейшими исследованиями.

Как новый дизайн превосходит Li-ion?

За счёт химических связей Li-O, которые плотнее интеркалационных взаимодействий Li с оксидными слоями в Li-ion.

Риск воспламенения/взрыва (прокол, перегрев, перезаряд)?

Кёртис: Литийный анод может вызвать взрыв. Многие ученые работают над безопасностью анода. Однако мы защитили поверхность Li анода электрически изолирующим, но ионопроводящим материалом, предотвращающим короткое замыкание и перегрев.

Ожидаемые режимы отказа?

Кёртис: Будет изучено при масштабировании.

Другие проблемы безопасности? Энергоплотность в 5 раз выше ТНТ. Тонкие покрытия ограничивают нежелательные реакции, но в воздухе есть CO2, N2 и др. Могут ли они стать коррозионными и разрушить слои? Внутренние короткие замыкания при реверсе ячейки?

Кёртис: Батерея разработана только в лабораторном масштабе, проблемы безопасности не проявлялись. Следующий шаг — масштабирование до батарейных пакетов, тестирование, выявление и устранение проблем. Перегрев при реверсе ячейки не должен произойти благодаря надёжному защитному слою на поверхности Li-анода.