Химики из Московского университета выяснили, почему перпективные литий-воздушные аккумуляторы, призванные заменить обычные литиевые батареи в "Теслах" Элона Маска и прочих электромобилях, вряд ли попадут в них в ближайшие 10-15 лет, говорится в статье, опубликованной в Journal of Physical Chemistry C.
"Разработка литий-воздушных источников тока наделала много шума несколько лет назад и сегодня зашла в тупик. Оказалось, что восстановление кислорода в этих аккумуляторах сопровождается кучей нежелательных побочных реакций. Желание многих инноваторов поскорее коммерциализировать такие батарейки оказалось нереализуемым без глубокого понимания химии процессов, протекающих внутри аккумулятора",
— заявил Даниил Иткис из МГУ имени Ломносова.
Сегодня ученые активно пытаются найти замену литий-ионным источникам питания, которые используются в различных цифровых гаджетах, автономных медицинских приборах, промышленных инструментах и космических зондах. Емкость литий-ионных аккумуляторов относительно невысока, из-за чего их использование в электромобилях и других устройствах, требующих "промышленных" запасов энергии, крайне ограничено.
Как рассказывает Иткис, в последние годы на роль такой замены претендуют так называемые литий-воздушные аккумуляторы, роль источников энергии в котором играют атомы лития внутри самой батареи и кислород в атмосфере Земли. Такие батареи способны запасать в пять раз больше энергии, чем их "ионные" конкуренты, и плотность накопления энергии в них сравнима с удельной энергоемкостью бензина и прочих видов топлива.
Такие батареи были созданы еще в 70 годах прошлого века, однако идею их разработки забросили из-за крайне невысокой долговечности таких устройств – они почти полностью приходят в негодность уже через несколько циклов разрядки и зарядки. В последние годы интерес к ним заново возродился из-за появления новых технологий, позволяющих надеяться на то, что эта проблема будет решена.
Российские химики показали, что эту задачу невозможно полностью решить в принципе, проследив за тем, как происходят реакции окисления лития кислородом и его восстановления при зарядке и разрядке такой батареи.
Большая часть этого процесса, как рассказывают ученые, происходит внутри или в окрестностях катода – положительного полюса батареи, где кислород, растворяющийся в электролите, соединяется с электронами и атомами лития и образует перекись лития. Во время этого процесса электроны "прокачиваются" через электрическую цепь, соединяющую положительный и отрицательный электрод, что и обеспечивает ток.
Катоды, как рассказывают ученые, обычно изготовляются из графита, стеклянного углерода и других форм этого вещества, проводящих электрический ток. Со временем, катод разрушается и перестает проводить ток, и химики не знали, почему это происходит.
Наблюдения ученых из МГУ показали, что катод теряет свои свойства из-за того, что внутри него накапливаются не только молекулы пероксида лития (Li2O2), но и супероксида лития (LiO2), крайне агрессивного соединения. Если в электроде есть дефекты, то тогда супероксид окисляет одиночные атомы углерода, превращаясь в соль — дикарбонат лития. Накопление молекул этой соли в порах внутри электрода быстро лишает его электропроводности и способности окислять литий.
Такие дефекты, как объясняет Иткис, есть в любом, даже самом дорогом и качественно изготовленном катоде. Соответственно, полностью ликвидировать этот процесс невозможно, хотя его темпы, вероятно, можно ограничить, сделав батареи более долговечными. Сейчас ученые работают над решением этой проблемы, но они, по словам Иткиса, не ожидают, что ответ на этот вопрос появится раньше середины 2025 годов.