Совершен прорыв на пути к созданию перезаряжаемой литий-кислородной батареи

Химики из Университета Ватерлоо успешно разрешили две из самых сложных проблем, связанных с литиево-кислородными батареями, и в результате создали рабочую батарею с почти 100-процентной кулоновской эффективностью.

Новая работа, появившаяся на этой неделе в Science, доказывает, что четырехэлектронное преобразование для электрохимии литий-кислород сильно обратимо. Команда первой достигла четырехэлектронного преобразования, которое удваивает электронное хранение литий-кислородных, также известных как литиево-воздушных, батарей.

«Существуют ограничения, основанные на термодинамике», — сказала Линда Назар, ученый из Канады по исследованиям в области полупроводниковых материалов и старший автор проекта. «Тем не менее, наша работа посвящена фундаментальным вопросам, которые люди давно пытаются решить».

Высокая теоретическая плотность энергии литий-кислородных (Li-O2) батарей и их относительно небольшой вес сделали их Святым Граалем систем перезаряжаемых батарей. Но давние проблемы с химией и стабильностью батареи сохранили их чисто академическим любопытством.

Две из серьезных проблем связаны с промежуточным звеном химии клеток (супероксид, LiO2) и пероксидным продуктом (Li2O2), взаимодействующим с пористым углеродным катодом, разрушающим клетку изнутри. Кроме того, супероксид потребляет органический электролит в процессе, что значительно ограничивает продолжительность цикла.

Назар и ее коллеги переключили органический электролит на более стабильную неорганическую расплавленную соль и пористый углеродный катод на бифункциональный катализатор на основе оксида металла. Затем, эксплуатировав батарею при 150°C, они обнаружили, что вместо Li2O2 образуется более стабильный продукт Li2O. Это приводит к высокооборотной Li-кислородной батарее с кулоновской эффективностью, достигающей 100 процентов.

Сохраняя O2 в качестве оксида лития (Li2O) вместо пероксида лития (Li2O2), батарея не только поддерживала отличные характеристики зарядки, но и достигала максимального четырехэлектронного переноса в системе, тем самым увеличивая теоретическое сохранение энергии на 50 процентов.

«Заменяя электролит и электродный хозяин и повышая температуру, мы показываем, что система работает замечательно», — сказала Линда Назар, которая также является профессором университета на кафедре химии в Ватерлоо.

C. Xia el al., «A high-energy-density lithium-oxygen battery based on a reversible four-electron conversion to lithium oxide,» Science (2018). science.sciencemag.org/cgi/doi … 1126/science.aas9343