Перспективы литий-воздушных батарей

Их время пришло

Новый тип электрической ячейки может вытеснить литий-ионные батареи

Как известно, батареи трудно улучшить. Нигде и никогда это утверждение не было столь очевидным, как 29 июля 2016 года, на «Гигафабрике» Tesla, крупного завода по производству батарей в Неваде. По словам Илона Маска, Tesla построила завод потому, что улучшать характеристики существующих батарей намного сложнее, нежели оптимизировать тот производственный процесс, с помощью которого они создаются.

По ироничному совпадению, за неделю до этого журнал Nature Energy опубликовал статью о возможности создания батареи, прототипы которой способны накапливать в два раза больше электроэнергии, чем выпускаемые «Гигафабрикой» литий-ионные, и которые, в конечном итоге, могут вытеснить последние.  Новая батарея, детище доктора наук Ю Ли (Ju Li) из Массачусетского технологического института (MIT), в какой-то мере далека от  коммерческого продукта, но сущность его разработки такова, что это обстоятельство вряд ли станет проблемой для выхода на рынок в будущем.

Основную идею устройства батареи доктора Ли нельзя назвать новой. Это одна из версий того, что известно под именем литий-воздушной батарей, к исследованию и созданию  которых стремились с 70-х годов прошлого века. Теоретически, такие батареи способны сохранить в четыре раза больше энергии на один килограмм литий-ионных. Разработка технологии, впрочем, продемонстрировала дороговизну предприятия. Как ясно из названия, в основе лежит применение воздуха. Та часть воздуха, в которой нуждаются батареи для работы – кислород, вот только иные компоненты атмосферы Земли - как, например, двуокись углерода, - наносят им ущерб.

Тем не менее, даже прототипы, которые работают на чистом без примесей кислороде, страдают от проблем. Использование и перезарядка существующих литий-воздушных батарей отнимает огромное количество энергии, потому что процесс включает в себя изменение кислорода из газообразного состояния в твердотельное, а затем - обратно. Такие фазовые изменения требуют много энергии, и, таким образом, могут тратить на себя более 30% входного электричества. Более того, изменения в объеме, которые сопровождают переход от газа к твердому газу, накладывают нагрузку на электроды батареи. Это означает, что они быстро (по сравнению с литий-ионными) деградируют до такой степени, что батарею более нельзя перезаряжать.

Важнейшая разница между проектом доктора Ли и предыдущими попытками создания таких батарей заключается в том, что, в действительности, никакого воздуха в них не задействовано. Вместо этого, ячейка батареи герметично закрыта и использует кислород, хранящийся внутри самой батареи, в химическом веществе, называемом супероксидом лития (LiO2). Поскольку это химическое соединение неустойчиво, его легко заставить отдать часть своего кислорода химической реакцией.

Чтобы остановить реакцию супероксида, распадающегося спонтанно, доктор Ли интегрировала его в пустоты матрицы из оксида кобальта, что придало стабильность структуре супероксида. 

Когда новая батарея разряжается, ионы лития из жидкого электролита, «омывающие» матрицу, входят в твердое вещество и реагируют с кислородом в супероксиде, образуя либо пероксид лития (Li2O2), либо оксид лития (Li2O), оба из которых также являются твердыми. Эти химические реакции двигают электроны вокруг внешней цепи, таким образом, открывая им путь куда угодно: начиная с питания мобильных телефонов и заканчивая крупными электрическими двигателями. Заставьте электроны двигаться в обратную сторону внешней цепи, подключив батарею к источнику питания – и химические реакции так же пойдут в обратном направлении, снова заряжая батарею.

То, что кислород остается в твердом состоянии во всех этих процессах, имеет решающее значение для успеха новой батареи. Вместо 30%, она теряет только 8% энергии, введенной в нее. Подобным образом и увеличивается продолжительность ее эксплуатации. В испытаниях, в ходе которых разряжали и перезаряжали батарею 130 раз, она потеряла менее 2% своей мощности.

Предыдущие утверждения о целесообразности литий-воздушных батарей были встречены со скепсисом, но в данном случае, иные работники отрасли, не участвовавшие в исследовании, похоже, убеждены, что доктор Ли, наконец, действительно натолкнулась на «что-то». «Действительно впечатляет», - говорит Венкат Вишванатан (Venkat Viswanathan) из Университета Карнеги-Меллона в Питтсбурге. «Очень интересная, захватывающая работа», - соглашается Лоуренс Хардвик (Laurence Hardwick) из Ливерпульского университета в Великобритании.

Доктор Ли надеется, что через год превратит прототип в коммерческий продукт. Это амбициозная цель, но доктор Хардвик согласен с тем, что с инженерной точки зрения текущие проблемы похожи на проблемы обычных литий-ионных батарей, поэтому возможно быстрое развитие этого направления. Что, конечно, тоже весьма заманчивая цель. Для Tesla и ее конкурентов, такие батареи способны «подпитать» славную идею о более легких электромобилях с более продолжительным пробегом от одного заряда. Доктор Ли тоже видит этот потенциал. Его команда подала патент и начала переговоры с производителями. Вопрос теперь в том, кто же первым будет лицензировать эту технологию.

Источник: The Economist, 6 августа 2016 года

https://www.economist.com/news/science-and-technology/21703358-new-type-electrical-cell-may-displace-lithium-ion-design-their-time-has

Перевод: Иван Симонов