Литий-воздушные аккумуляторы выдержали 700 циклов перезарядки. Аккумулятор воздушный


Литий-воздушные аккумуляторы в России??? | Современные зарядные устройства и аккумуляторы

Лабораторный прототип литий-воздушного аккумулятора

«Химические источники тока «Li-воздух» давно привлекают внимание потому что литий является сильнейшим восстановителем и он очень легкий, а кислород воздуха — практически бесплатный окислитель. В России работы над этой технологией проводятся на факультете наук о материалах МГУ. В лабораторных условиях созданы эффективные источники тока, и теперь надо лабораторную технологию превратить в полупромышленное производство», — говорит Александр Скундин, доктор химических наук, заведующий лабораторией «Процессы в химических источниках тока» Института физической химии и электрохимии им. А. Н. Фрумкина РАН.

Одна из областей, в которых преимущества Li-воздушных аккумуляторов очевидны — электромобили. Сейчас они питаются от Li-ion батарей, производителям приходится балансировать между их энергоемкостью, весом и ценой. «В самых продвинутых Li-ion аккумуляторах запасается всего 180-190 ватт-часов на кг веса (в 1 кг бензина — около 10 киловатт-часов). Кроме того, Li-ion аккумулятор, способный запасать 1 киловатт-час, стоит больше 1000 долларов», — говорит Даниил Иткис, кандидат химических наук, научный руководитель и член совета директоров компании FM Lab. Предполагается, что Li-воздушные аккумуляторы позволят запасать больше энергии при меньшем весе и меньшей стоимости.

Сейчас прототипы российских аккумуляторов запасают около 1 киловатт-часа на 1кг веса, а к 2013 году ученые из FM Lab планируют собрать образец, способный запасать 10 киловатт-часов на 1кг.

Как работает аккумулятор

Литиевые аккумуляторы, как и все химические источники тока, работают за счет окислительно-восстановительной реакции. При взаимодействии пары «окислитель-восстановитель» вещество-окислитель забирает у восстановителя электроны. В батарейках анод состоит из окисляемого вещества, восстановителя, катод — из вещества-окислителя, между ними электролит — органическая жидкость. Окислитель забирает у атомов восстановителя электроны, образовавшиеся ионы проходят через электролит и присоединяются к окислителю, электроны же по внешней цепи подаются на требующее питания устройство.

Чем активнее окислитель и восстановитель, тем эффективнее батарея. В качестве анода используют литий, он обладает самым большим электродным потенциалом (-3 вольта). Литий же — самый легкий металл, что уменьшает вес аккумулятора. Катод в Li-ion аккумуляторах делают из сильных окислителей, например из оксида кобальта.

Когда в ходе реакции от атомов лития отсоединяются электроны, образуются положительные ионы (Li -> Li+ + e-). Они проходят через электролит и оседают на положительном электроде. Когда весь литий в виде ионов осел на катоде, аккумулятор разряжен. При зарядке процесс идет в обратном направлении — электроны двигаются от катода к аноду, ионы лития оседают на аноде, где насыщаются электронами и становятся нейтральными атомами.

Литиевые деревья

Изначально аноды Li-ion аккумуляторов делали из чистого лития, однако такие батареи небезопасны. При зарядке литий оседает не ровными слоями, а в виде дендритов — со временем эти «деревца» прорастают сквозь электролит до катода, происходит короткое замыкание с выделением тепла, электролит загорается. Чаще всего батареи вздуваются, но могут и взрываться. Сейчас батарейки с чистым литием ставятся в кварцевые часы, они не перезаряжаемые.

В 90-м году инженеры компании Sony первыми поменяли чистый литий на графит, насыщенный литием. С тех пор в ходе зарядки литий оседает между слоями графита, и роста дендритов не происходит. «С одной стороны, решилась проблема безопасности, но с другой — емкость 1г Li-насыщенного графита составляет 300 миллиампер-часов, а емкость 1г чистого лития — 3800 миллиампер-часов», — говорит Иткис. Поэтому в Li-воздушных аккумуляторах будет использоваться чистый литий, а проблема его равномерного оседания при зарядке решится за счет применения новых электролитов, разрабатываемых самой FM Lab.

Полимерный электролит

По словам Александра Скундина, «одна из сложностей заключается в совмещении работы воздушного электрода с литием — воздух содержит влагу, которая мешает нормальному протеканию окислительно-восстановительной реакции». Вода связывает атомы лития, не давая им распадаться на ионы и электроны (Li + h3O -> LiOH + h3). Решено это было разделением аккумулятора на две камеры. В одной, герметичной, находится литиевый анод. Вторая камера сообщается с внешней средой, в нее поступает воздух. Поскольку герметичность Li-ion аккумуляторов была продиктована не в последнюю очередь испаряемостью самого электролита, в FM Lab решили использовать вместо органической жидкости тонкую твердую пластину — она и обладает свойствами электролита, и обеспечивает герметичность камере с анодом. «В первых разработках мы использовали стеклокерамические пластинки (Li-Al-Ge-P-O). Толщина такого электролита должна быть не более 100 микрометров — иначе ионы лития будут просто осаждаться в пластине, не доходя до катода. При такой толщине стеклокерамика очень хрупка, кроме того, производственный процесс очень дорог. Поэтому сейчас мы активно работаем над созданием полимер-керамических пластин — хорошо проводящих твердых газоплотных электролитов, которые можно будет хоть в рулоны сворачивать без угрозы повреждений», — сообщил Иткис.

Катод — губка с обдувом

Катод Li-воздушного аккумулятора размещается снаружи, это углеродная губка — легкая структура с множеством сквозных пор, которая наполняется кислородом. Кислород притягивает электроны лития и вбирает его ионы сквозь электролит, внутри губки образуется твердый осадок (O2 + 2Li+ + 2e- -> Li2O2), который разлагается при зарядке аккумулятора — электроны двигаются в обратном направлении, ионы лития возвращаются в пластину-электролит, а атомы кислорода — во внешнюю среду. То есть Li-воздушные аккумуляторы возвращают кислород в атмосферу и не выбрасывают вредных веществ.

Лабораторный прототип

Есть иная сложность — воздух содержит множество посторонних элементов, способных нарушить реакцию в губке. Например углекислый газ, вступая в реакцию с осадком (Li2O2 + CO2 -> Li2CO3 + O2), или та же влага (Li2O2 + h3O -> LiOH + O2) связывают осадок, и он уже не может распадаться на электроны, ионы лития и кислород, заряжать аккумулятор не получается. Разработчики считают, что кислород должен поступать в губку либо в чистом виде из баллонов, либо с воздухом, прошедшим через системы фильтрации. При использовании Li-воздушной батареи в электромобиле подразумевается обдувка катода потоком фильтрованного воздуха — под капотом уже нет огромного двигателя внутреннего сгорания, так что найдется место для воздухофильтров. «Это изящное решение, так как поток воздуха обеспечит также и охлаждение аккумулятора», — считает Иткис. Решения же проблемы в случае с питанием портативных устройств разработчики пока не достигли.

Автор: Илья АрзумановИсточник: Журнал «Коммерсантъ Наука»

2a3a.ru

Новые литий-воздушные аккумуляторы заменят традиционные литий-ионные?

Когда Tesla Motors объявила о своих планах купить производителя солнечных батарей SolarCity, нитью, которая связала вместе эти две компании, стала аккумуляторная батарея. По словам исполнительного директора Элона Маска, основной идеей стало сочетание солнечных панелей со стационарными аккумуляторными батареями PowerWall от Tesla. В пасмурные дни или в вечернее время запасенная в аккумуляторной батареи энергия способна питать бытовых потребителей электрической энергии.

Для батарей внутри своих электромобилей и систем PowerWall, Tesla делает ставку на обычные литий-ионные батареи, используемые в смартфонах или ноутбуках. Хотя другие компании считают что есть варианты и лучше. Многие экспериментируют с новыми литий-воздушными батареями, которые легче, меньше и более энергоэффективны, чем их предшественники.

Несколько недель назад ученые из Массачусетского технологического института, Аргоннской национальной лаборатории и Пекинского университета в Китае показали многообещающую новую версию литий-воздушных батарей. Ученые заявили, что благодаря новому подходу к построению литий-воздушных батарей они способны хранить в пять раз больше энергии, что может привести к полной замене их предшественников – литий-ионных батарей.

Новый проект использует электроды кислорода для преодоления многих недостатков литий-воздушных батарей. Они теряют значительно меньше энергии в виде тепла, чем их предшественники. В результате она имеет более длительный заряд и большую энергоэффективность, что делает ее практически идеальной для применения в электромобилях и в системах альтернативной энергетики.

«Это означает, что зарядка будет проходить быстрее, так как не требуется усиленного отвода тепла от аккумуляторов, а также повышается безопасность и  энергоэффективность» — сказал Ю. Ли, профессор MIT по ядерной науке и технике, а также автор исследования.

Новое устройство было подробно описано в журнале Nature Energy и является последней разработкой, которая сможет составить серьезную конкуренцию литий-ионным аккумуляторам. Ученые из IBM и PolyPlus делают ставку на литий-воздушные аккумуляторы, в то время как другие компании работают над цинк-воздушными и натрий-воздушными батареями.

Основным сдерживающим фактором развития литий-воздушных аккумуляторов была сложность их химического устройства. До сих пор, в процессе работы литий-воздушного аккумулятора не происходил обмен воздухом с окружающей средой. Кислород выделялся в атмосферу только в процессе зарядки. Химическая реакция создавала другие молекулы, известные как пероксид лития, который медленно засоряет электроды аккумуляторной батареи. И это порождает целый ряд проблем. По словам Ли, твердые частицы, образующиеся в результате реакции молекул вызывают более быстрый износ батареи, по сравнению с литий-ионной, которая полностью ограждена от влияния воздуха. При износе аккумулятора он накапливает все меньше энергии.

Новые литий-воздушные батареи

Также они склонны к потере энергии в виде тепла. При выходном напряжении всего на 1,2 В ниже, чем напряжение необходимое для зарядки, батарея может терять около 30% электроэнергии на тепло. Из-за этого аккумулятор может «сгореть» в прямом смысле этого слова. Также стоит отметить, что перезарядка может привести к структурным повреждениям или взрывной реакции, называемой тепловым пробоем.

Новое устройство решает эту проблему путем герметизации аккумулятора от внешней среды. Внутри протекают те же электрохимические процессы, что и ранее, но они не используют газообразный кислород. Кислород остается внутри аккумулятора и «перекочёвывает» между тремя твердыми химическими соединениями: Li2O, Li2O2, и LiO2. Это предотвращает формирование частиц, способствующих разрушению аккумулятора.

Новый вид аккумуляторов появился после долгих исследований в области литий-воздушной химии. Ранее в этом году двое ученых помогли создать супероксид лития LiO2. Данное соединение может быть разложено значительно легче, чем пероксид лития, что делает его значительно более эффективным.

Новые аккумуляторы резко сокращают потери напряжения. Это значит, что только 8% электрического заряда будет утеряно в виде тепла. Также устройство может само сохранять себя от перезарядки– путем переключения между различными соединениями лития. Ученые перезаряжали аккумулятор 100 раз в течении 15 дней без каких-либо повреждений. Они также обнаружили, что через 120 циклов заряда-разряда мощность сократилась всего на 2%.

Новые литий-воздушные аккумуляторы вполне способны обойтись без обмена кислородом с внешней средой. Благодаря этому они могут быть легко адаптированы в современный электромобильный транспорт или станции хранения электрической энергии  альтернативной энергетики.

elenergi.ru

Литий-воздушные аккумуляторы выдержали 700 циклов перезарядки

Фотография поверхности анода литий-воздушной батареи, покрытого защитным слоем

M. Asadi et al./ Nature, 2018

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.

Микрофотографии поверхности катода после первой и 250-й разрядки (a и с), после первой и 250-й зарядки (b и d). Справа приведена фотография разряженного катода, полученная с помощью просвечивающей электронной микроскопии

M. Asadi et al./ Nature, 2018

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

nplus1.ru

Воздушные аккумуляторы: Дело за катализаторами

У литий-воздушных аккумуляторов, похоже, большое будущее. Теоретически, они обладают энергоемкостью в три раза большей, нежели энергоемкость обычных литий-ионных аккумуляторов, которые можно найти в любом карманном устройстве в окрестностях (не говоря уж о приближающейся волне электромобилей).

Неудивительно, что многие компании, в том числе IBM и General Motors продолжают работу над литий-воздушными батареями. Теперь ученые из МТИ совершили прорыв, который может сделать коммерческую разработку легких аккумуляторных батарей реальностью.

Литий-воздушные (также известные как литий-кислородные) аккумуляторы по принципу действия схожи с литий-ионными. Хотя литий-воздушные батареи электрохимически соединяют литиевый анод с атмосферным кислородом, причем в качестве катода используется углерод, а не тяжелые соединения, обычно находящиеся в литий-ионных аккумуляторах. Это означает, что литий-воздушные батареи могут обладать большей удельной энергоемкостью благодаря более легкому катоду и тому факту, что кислород доступен в окружающей среде, и его не нужно хранит в аккумуляторе.

К сожалению, литий-воздушные батареи не вышли на рынок из-за недостаточного понимания, какие материалы могут использоваться в качестве электродов для электрохимических реакций, идущих в этих аккумуляторах. Теперь, благодаря новому исследованию, проведенному в Массачусетском технологическом институте, установлено, что электроды с золотом или платиной, использующимися в качестве катализаторов, демонстрируют более высокий уровень активности и, таким образом, большую эффективность, чем обычные углеродные электроды. Новая работа дает почву для дальнейших исследований, которые могут привести к созданию еще лучших электродных материалов, возможно, в них будут использоваться сплавы золота, платины или других металлов, или оксиды металлов, или другие, менее дорогостоящие, альтернативы.

Основной автор опубликованной на этой неделе статьи, докторант Ю-Чун Лу, поясняет, что команда ученых из МТИ разработала метод анализа активности различных катализаторов в аккумуляторах, так что теперь можно пользоваться этой разработкой для изучения различных материалов".

«Мы рассмотрим различные вещества и понаблюдаем за тенденциями, — говорит Ю-Чун Лу. — Данное исследование может позволить нам определить физические показатели, которые влияют на активность катализатора. В конце концов, мы сможем предсказывать поведение катализаторов».

С увеличением числа небольших электронных устройств, ставших частью нашей повседневной жизни (не говоря уж о производителях автомобилей, занявшихся производством аккумуляторов для электромобилей), разработка легких аккумуляторных батарей может принести много энергии, что является важным преимуществом. Даже небольшое увеличение удельной энергоемкости увеличивает ресурс аккумулятора в гаджете и расстояние, которое может проехать электромобиль.

Группа разработчиков признает, что существует ряд вопросов, которые нужно решить, прежде чем литий-воздушные батареи станут серийно выпускаемым продуктом.

Литий в металлической форме, используемый в литий-воздушных батареях, становится очень активным в присутствии даже минимальных количеств воды. Это не является проблемой в существующих литий-ионных аккумуляторах, поскольку в качестве отрицательно заряженного электрода в них находится углерод. Шао-Хорн утверждает, что тот же принцип может быть применен без использования металлического лития, графит или другой более стабильный катодный материал может быть взят вместо него, что, по словам ученого, приведет к появлению более стабильной системы.

Но самая большая проблема с разработкой новой системы заключается в том, чтобы сохранить мощность в течении достаточно большого количества циклов «заряд — разряд». Это необходимое условие для использования новых аккумуляторов в электронных устройствах и автомобилях.

Ученым также нужно вникнуть в детали химических реакций, идущих во время процессов заряда и разряда, чтобы выяснить, какие соединения при этом образуются и как они взаимодействуют с остальными частями системы. «Мы в самом начале» понимания, как эти реакции протекают, говорит Шао-Хорн.

Голам-Аббас Назри, ученый из Центра General Motors научно-исследовательских и опытно-конструкторских разработок в Мичигане назвал это исследование «интересным и важным» и добавил, что оно направлено на устранение важного узкого места в разработке этой технологии: необходимости поиска эффективного катализатора. Эта работа «является сдвигом в правильном направлении для понимания роли катализаторов» и «может внести заметный вклад в будущее понимание и разработку литий-воздушных систем».

Некоторые компании, работающие над созданием литий-воздушных аккумуляторов, утверждают, что этот проект, по‑видимому, рассчитан на 10 лет, о Шао-Хорн говорит, что пока рано говорить о точных сроках коммерциализации. «Это очень перспективная область, но пока много научных и технических сложностей, которые нужно преодолеть, — добавляет она. — Если новая технология действительно продемонстрирует увеличение энергоемкости в два или три раза по сравнению с существующими литий-ионными аккумуляторами, она в первую очередь найдет применение в таких дорогостоящих электронных устройствах как компьютеры и мобильные телефоны, а уже позже, когда стоимость батарей снизится, в автомобилях».

Источник gizmag.com

www.popmech.ru


Смотрите также