Литий-воздушные аккумуляторы выдержали 700 циклов перезарядки
Американские химики впервые создали эффективный литий-воздушный аккумулятор, который выдерживает 700 циклов зарядки—разрядки, что сравнимо с показателями современных литий-ионных аккумуляторов, которые работают без значительного снижения емкости от 400 до 1200 циклов. Этого удалось добиться благодаря использованию защитного покрытия на литиевом аноде, а также специально подобранных составов катода и электролита в электрохимической ячейке, пишут ученые в Nature.
Для повышения эффективности работы аккумуляторов ученые пытаются не только улучшать существующие схемы электрохимических ячеек за счет модификации состава и структуры электродов или электролита, но и ищут другие более выгодные окислительно-восстановительные реакции, которые происходят при зарядке и разрядке аккумулятора. Одним из наиболее перспективных вариантов замены наиболее популярным сейчас литий-ионным батареям считаются литий-воздушные химические источники тока. Эти батареи основаны на реакции лития с кислородом с образованием пероксида лития Li2O2, и по теоретическим оценкам обладают максимальной из известных батарей удельной энергией — около 40 мегаджоулей на килограмм, что примерно в 5 раз больше, чем у современных литий-ионных аккумуляторов.
Основная проблема литий-воздушных батарей — затрудненная работа в условиях химического состава воздуха. Эффективные литий-кислородные батареи с использованием чистого кислорода уже удавалось получить, однако они не могут применяться на практике и обладают повышенной взрывоопасностью. В случае же присутствия в газовой среде азота, углекислого газа и воды продукты побочных реакций загрязняют поверхность электродов и заметно снижают время работы аккумулятора, и уже после 10—20 циклов зарядки—разрядки батарея перестает работать.
Для решения этой проблемы группа американских электрохимиков под руководством Амина Салехи-Ходжина (Amin Salehi-Khojin) из Иллинойсского университета в Чикаго предложила новую схему литий-воздушной электрохимической ячейки, которая позволяет ограничить интенсивность побочных реакций на электродах и повысить таким образом время эффективной циклической работы аккумулятора. Для этого ученые использовали два подхода. Во-первых, на поверхность литиевого анода батареи было нанесено покрытие на основе углерода и карбоната лития. Сквозь такой слой проходят только ионы лития, таким образом сам анод оказывается защищен от влияния атмосферы. Во-вторых, в качестве катода было предложено использовать наноструктурированный дисульфид молибдена, который служит катализатором реакции восстановления кислорода. Электролитом же в предложенной архитектуре электрохимической ячейки служила смесь диметилсульфоксида с ионной жидкостью на основе тетрафторбората (EMIM-BF4).
Для проверки циклической работы предложенной схемы аккумулятора исследователи провели эксперимент по многократной перезарядке с использованием модельной газовой смеси, состав которой соответствовал составу воздуха. Кроме электрохимических измерений, для исследования процессов химической пассивации электродов авторы работы с помощью микроскопии и нескольких спектрометрических методов также определяли их структуру и химический состав после каждых 5 циклов.
Оказалось, что составленная таким образом литий-воздушная батарея выдерживает не менее 700 циклов перезарядки без заметного падения емкости, химический состав электродов при этом практически не изменяется. По словам авторов работы, после каждого из циклов зарядки-разрядки аккумулятора задействованным остаются примерно 99,97 процента лития.
Эффективность работы предложенной схемы аккумулятора ученые также подтвердили с помощью численных расчетов методом теории функционала плотности, изучив процесс катализа реакции восстановления кислорода на краях наночастиц дисульфида молибдена, а также вероятность взаимодействия воды и углекислого газа с образующимся в ячейке пероксидом лития.
Ученые утверждают, что это фактически первый эффективно работающий прототип литий-воздушного аккумулятора, который способен на такую долгую циклическую работу. Поэтому предложенная архитектура электрохимической ячейки, по мнению авторов работы, — очень важный шаг на пути к созданию литиевых источников тока нового поколения со значительно более высокими, чем у нынешних аккумуляторов, показателями удельной плотности энергии.
Если литий-воздушные батареи — пока только возможное будущее электрохимических источников тока, то наиболее популярные из современных аккумуляторов — литий-ионные батареи. Для повышения их эффективности, безопасности и расширения диапазона условий надежной работы ученые постоянно ищут новые материалы для электродов и электролитов. Например, недавно ученым впервые удалось создать литий-ионный аккумулятор, который работает при −70 градусах Цельсия. Другая группа исследователей нашла способ получать эффективные растягиваемые батареи. А до этого для повышения безопасности в литий-ионные аккумуляторы встроили мембрану с функциями огнетушителя.
Александр Дубов
Австралийские ученые выяснили, от чего зависит цена водородного топлива, получаемого с помощью солнечных батарей. Они выделили основные факторы, влияющие на цену такого водорода в разных климатических районах, и предложили, как можно сделать его дешевле. Прогноз получился оптимистичным: вполне вероятно, что уже к 2030 году солнечный водород сравняется в цене с водородом, который получают традиционным способом из метана. Результаты исследования опубликованы в журнале Cell Reports Physical Science. Водород — практически идеальное топливо: он легкий, его удобно хранить и перевозить, а при сгорании выделяется безвредный водяной пар. Одна из перспективных областей современной энергетики — получение водорода с помощью солнечных батарей. В таких устройствах энергия солнечного излучения превращается в электроэнергию, которая сразу же тратится на выделения водорода из воды с помощью электролиза. Получается вдвойне выгодный процесс — можно не только получить удобное и экологичное топливо, но и запасти впрок энергию нестабильных солнечных генераторов. Однако, пока что у солнечного водорода есть существенный недостаток — высокая цена. К стоимости солнечного элемента в таком случае нужно прибавить стоимость катализаторов для электролиза, которые зачастую изготавливают из металлов платиновой группы. Эффективность таких устройств тоже пока что ниже, чем у стандартных солнечных элементов, ведь энергия преобразуется дважды, на каждом этапе часть ее теряется. В настоящее время энергия, которую можно получить от сжигания полученного водорода, у лучших преобразователей составляет только 17 процентов от поглощенной ими солнечной энергии. Все это делает солнечный водород дорогим. Поэтому, хотя водородное топливо становится все более популярным (уже используется около 80 миллионов тонн водорода в год), основным его источником все еще остается дешевый реформинг метана. Австралийские ученые под руководством Нэйтана Чана (Nathan L.Chang) из Университета Нового Южного Уэльса попробовали выяснить, как сделать экологичный водород дешевле В своем анализе они сосредоточились на так называемых независимых электролизерах Такие устройства не подключены к сети и питаются только от солнечных батарей. По сравнению с гибридными электролизерами, которые могут питаться и от сети, и от солнечных батарей, такие устройства работают менее стабильно и имеют ограниченную емкость. Но есть у независимых электролизеров и сильные стороны — такие устройства можно использовать для получения водорода в самых отдаленных районах, а отказ от проводов для соединения с сетью, делает их немного дешевле. Чтобы оценить вклад разных факторов, влияющих на работу независимого солнечного электролизера — стоимости материалов, эффективности, размера устройств, погодных условий и даже стоимости воды, которая нужна для электролиза, — ученые использовали метод Монте-Карло. Всего было сделано 20 тысяч итераций для разных климатических условий, помимо Австралии ученые рассмотрели районы Испании, Японии и Чили. Чан и его коллеги исходили из предположения, что для выхода на рынок экологичному водороду необходимо преодолеть ценовой порог в 2,5 доллара США за килограмм. На сегодняшний день, согласно их расчетам, средняя цена водорода, полученного в Австралии, все еще выше — от 3,4 до 3,7 долларов за килограмм. Вполне ожидаемо, больше всего цены на водород зависят от стоимости устройства. При этом из двух составных частей электролизера — солнечного элемента и катализатора — больший вклад в финальную цену вносит стоимость солнечного элемента. Кроме того, ученые отмечают, что стоимость водорода зависит от погодных условий — в первую очередь от яркости солнца и количества солнечных дней. Если в солнечном Порт-Хедленде в Австралии стоимость водорода составляет около 3,38 долларов за килограмм, то в Фукусиме в Японии при прочих равных условиях получится 4,72 доллара за килограмм. Поэтому авторы работы считают, что Японию можно будет рассматривать в качестве потенциального покупателя для австралийского водорода. Одним из самых эффективных способов для снижения стоимости водорода авторы называют переход на более масштабные и мощные преобразователи. Их расчеты показывают, что увеличение мощности устройства в десять раз уже сейчас может снизить цену на водород на 0,3 доллара за килограмм. Появление более эффективных солнечных батарей и катализаторов, разумеется, тоже будет каждый год делать водород из электролизеров немного дешевле. Поэтому стоимость полученного в Австралии солнечного водорода будет непрерывно снижаться, и уже к 2030 году может преодолеть порог в 2,2 доллара США за килограмм. Впрочем, задачу разработки одновременно дешевого и эффективного электролизера на солнечных батареях еще предстоит решить. Сейчас над созданием таких устройств работает множество научных групп по всему миру. Несколько месяцев назад американские и китайские химики собрали электролизер без использования дорогостоящих материалов — соединили перовскитный солнечный элемент с электрокатализатором из наностержней оксида кобальта. Эффективность устройства оказалась не очень высокой — 6,7 процентов — но авторы работы считают, что в дальнейшем ее можно будет повысить.Наталия Самойлова