Американские исследователи разработали новую литий-воздушную батарею с твердым электролитом, способную достичь рекордной плотности энергии, почти в четыре раза превышающей плотность энергии литий-ионных батарей. Испытательный элемент продемонстрировал стабильность в течение 1 000 циклов заряда и разряда.

Элемент литий-воздушной батареи с металлическим литиевым анодом, катодом на основе воздуха и твердым керамическим полимерным электролитом

Исследователи из Иллинойского технологического института и Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США разработали литий-воздушную батарею с твердым электролитом на основе полимера. Они утверждают, что он обеспечивает превосходную безопасность и производительность.

Твердый электролит состоит из керамического полимерного материала, изготовленного из относительно недорогих элементов в форме наночастиц. В частности, новый композитный электролит основан на наночастицах Li10GeP2S12, внедренных в модифицированную полиэтиленоксидную полимерную матрицу, что позволяет проводить химические реакции, в результате которых при разряде образуется оксид лития (Li2O).

В прежних конструкциях литий-воздушных аккумуляторов литий в металлическом литиевом аноде проходит через жидкий электролит и соединяется с кислородом во время разряда, образуя пероксид лития (Li2O2) или супероксид (LiO2) на катоде. Во время заряда пероксид или супероксид лития снова распадается на литий и кислород. Эта химическая последовательность накапливает и высвобождает энергию по требованию.

«Химическая реакция для супероксида или пероксида лития включает только один или два электрона, запасенных на молекулу кислорода, тогда как для оксида лития — четыре электрона», — говорит химик из Аргонне Рашид Амин.

В новой конструкции реакция с четырьмя электронами осуществляется благодаря смешанному ионно-электронному проводящему разряду и его взаимодействию с воздухом».

Большое количество сохраненных электронов означает более высокую плотность энергии. Теоретически, литий-воздушная батарея, основанная на образовании Li2O, может обеспечить плотность энергии, сравнимую с плотностью энергии бензина. Она имеет самую высокую прогнозируемую плотность энергии среди всех технологий батарей, которые рассматриваются для следующего поколения батарей после литий-ионных.
«При дальнейшем развитии мы ожидаем, что наша новая конструкция литий-воздушной батареи также достигнет рекордной плотности энергии в 1200 ватт-часов на килограмм», — сказал Ларри Кертисс, заслуженный деятель Аргонна. Это почти в четыре раза лучше, чем у литий-ионных батарей».

Новая разработка команды также является первой литий-воздушной батареей, в которой достигнута четырехэлектронная реакция при комнатной температуре. Кроме того, она работает на кислороде, поступающем из окружающей среды, что устраняет необходимость в кислородных баллонах, которая была проблемой в предыдущих конструкциях.