Литий-воздушный против литий-ионного:экспертная оценка и сравнение производительности

Билли Херли, менеджер цифровой редакции

«Разработка нашей литий-воздушной батареи представляет собой революцию в аккумуляторном сообществе», — сказал Амин Салехи-Ходжин, доцент кафедры машиностроения и промышленного проектирования Университета Иллинойса в Чикаго.

Салехи-Ходжин и его коллеги из UIC и Аргоннской национальной лаборатории разработали электрохимический элемент, который работает в естественной воздушной среде и продолжает функционировать после рекордных 750 циклов зарядки/разрядки.

Литий-воздушная батарея сочетает в себе кислород из воздуха с литием, присутствующим в аноде. Смесь производит пероксид лития на этапе разряда, а также расщепление компонентов лития и кислорода на этапе заряда.

Экспериментальная литий-воздушная батарея. (Фото:Амин Салехи-Ходжин.)

Считается, что литий-воздушные батареи способны удерживать в пять раз больше энергии, чем те же литий-ионные батареи, которые используются в современных телефонах, ноутбуках и электромобилях.

Однако ранние «литий-воздушные» идеи часто терпели неудачу.

Когда ионы лития соединяются с углекислым газом и парами воды в воздухе, в результате часто образуются побочные продукты, которые засоряют катод.

Чтобы предотвратить накопление и позволить батарее работать в среде естественного воздуха, исследователи UIC и Аргонна покрыли литиевый анод тонким слоем карбоната лития. Покрытие избирательно позволяет ионам лития с анода проникать в электролит, предотвращая при этом попадание нежелательных соединений на анод.

В экспериментальных конструкциях литий-воздушных аккумуляторов кислород попадает в электролит через губчатую решетчатую структуру на основе углерода.

Салехи-Ходжин и его коллеги покрыли решетчатую структуру катализатором из дисульфата молибдена. Уникальный гибридный электролит, изготовленный из ионной жидкости и диметилсульфоксида, обычного компонента аккумуляторных электролитов, помог облегчить литий-кислородные реакции, свести к минимуму реакции лития с другими элементами в воздухе и повысить эффективность аккумулятора.

Однако у наших читателей возникли вопросы. Что делать, если аккумулятор перегрелся? Может ли аккумулятор взорваться? Есть ли проблемы с безопасностью? Чем литий-воздушная батарея отличается от литий-ионной батареи? Ларри Кертисс, почетный научный сотрудник Аргонна и соавтор исследования, нашел время, чтобы дать ответы нашей аудитории. См. ответы ниже.

Какова скорость зарядки?

Кертисс: Скорость зарядки в это время будет аналогична скорости зарядки литий-ионного аккумулятора. Оно может быть увеличено при дальнейших исследованиях.

Насколько ваша новая конструкция превосходит литий-ионные батареи?

Используя химические связи между литием и кислородом, батареи могут хранить гораздо больше энергии, поскольку связи более плотные, чем интеркаляционные взаимодействия между литием и слоями оксидов металлов, используемые в литий-ионных батареях.

Какова вероятность воспламенения или взрыва (в случае прокола, перегрева, перезарядки и т. д.)?

Кертисс: Одним из компонентов опубликованной нами литий-воздушной батареи является литиевый анод. Известно, что это могло стать причиной взрыва. Многие учёные работают над проблемой безопасности литиевого анода и, вероятно, потребуют немало усилий, чтобы обезопасить его. Однако стоит отметить, что мы защитили поверхность литиевого анода электроизоляционным, но ионопроводящим материалом, чтобы предотвратить взрыв из-за короткого замыкания батареи между анодом и катодом. Это также предотвращает перегрев аккумулятора.

Какие виды отказов ожидаются?

Кертисс: Это будет изучено во время масштабирования.

Есть ли другие проблемы с безопасностью? Плотность энергии стандартных литий-ионных аккумуляторов равна плотности энергии тротила. Плотность энергии ваших батарей в 5 раз выше. Хотя теоретически они ограничивают нежелательные реакции с помощью этих тонких покрытий, в воздухе есть и другие потенциальные загрязнители (CO2, N2 и т. д.). Могут ли некоторые из них стать коррозийными и разрушить слои? Могут ли внутренние короткие замыкания возникнуть в обратном направлении в одной ячейке, что приведет к возгоранию?

Кертисс: Батарея была разработана только в лабораторных условиях, и во время испытаний она не выявила ни одной из этих проблем с безопасностью. Следующим шагом будет масштабирование этих небольших элементов до аккумуляторных блоков, их тестирование, выяснение проблем безопасности и их решение. Однако мы считаем, что перегрева из-за переворачивания элемента в нашей системе не произойдет благодаря надежному защитному слою поверхности литиевого анода.

Что вы думаете? У вас есть еще вопросы о литий-воздушных батареях? Поделитесь ими ниже.

Схематический рисунок литий-воздушной батареи. (Фото:UIC и Аргоннские национальные лаборатории.)