Второе дыхание: воздушно-реактивный литиевый аккумулятор
Статья о батареях, которые "дышат". Воздушная аккумуляторная технология является литий-ионным аккумулятором, который для выработки электроэнергии частично использует воздух, а точнее кислород в качестве катализатора для обмена электронами. В паре литий/воздух есть теоретическая плотность энергии, которая близка к пределу возможностей аккумуляторов – 10 000 Втч/кг, в то время как обычные литий-ионные аккумуляторы имеют емкость около 200 ватт-часов на килограмм (Втч/кг).Литий-кислородный аккумуляторный состав интригует ученых не протяжении десятилетий (с 1970-х годов), но только недавно появилось изобретение литий-воздушной батареи для портативных устройств с защищенным литиевым электродом, приближенное к коммерческому выпуску. Прототипы батареи уже достигли емкости 700 Втч/кг.
Существуют и перезаряжающиеся технологии лития/воздуха, которые также основаны на защищенном литиевом электроде и пока находятся в процессе разработки, но, как ожидается, плотность энергии в таких технологиях будет намного выше обычных литий-ионных батарей.
Литий-воздушные (Li-O2) аккумуляторы – будущее современных электромобилей. Аккумуляторная батарея является очень важной частью электротранспортного средства и может составлять до 40% его общей стоимости. Потенциал литий-воздушных батарей, имеющих малый вес и огромный потенциал емкости даже при гораздо более высокой цене, чем обычные батареи, смог бы в итоге снизить стоимость электрического транспортного средства.
Сравнение литий-воздушных "способностей" ультра-высокой плотности 5 000 Втч/кг с обычными аккумуляторами, используемыми в электромобилях сегодня
▪ Типичные литий-ионные (Li-ion) аккумуляторы имеют плотность энергии в диапазоне от 95 до немного более чем 200 Втч/кг
▪ Свинцово-кислотные батареи работают в диапазоне плотности энергии 30-40 Втч/кг. В электромобилях используются очень редко.
▪ Никель-металл-гидридные (NiMH) аккумуляторы имеют диапазон плотности энергии 60-120 Втч/кг. Такие батареи используют в старых электромобилях.
Воздушно-реактивные литиевые батареи используют окружающий воздух по мере необходимости клеточных реакций, что более безопасно и стабильно. Для продвижения таких элементов питания имеются некоторые препятствия. В первую очередь, это поиск достаточно химически стабильных электродов и электролитов.
В 2009 году компанией IBM был создан проект "Батарея 500" ("Battery 500 Project"). Цель проекта – проезд автомобиля на полной зарядке аккумулятора 500 км. В частности, было установлено, что батареи, "дышащие" воздухом, могут весить до 87% меньше литий-ионных аналогов (анод, полностью изготовленный из легкого лития (в отличие от аккумуляторов с применением тяжелых металлов) существенно снижает вес).
Литий-ионные батареи, используемые в EV-мобилях, сегодня полагаются в качестве положительного электрода на оксид или фосфат металла (обычно на основе кобальта, марганца или железа), и в качестве отрицательного – углеродного анода. Когда автомобиль начинает движение, поток ионов лития движется от анода к катоду через электролит и сепаратор мембраны. При зарядке аккумулятора направление этого потока изменяется. Большинство полностью заряженных литий-ионных батарей автомобиля сегодня дает возможность проехать лишь 160 км до следующей зарядки. (Nissan утверждает, что дальность проезда их автомобилей составляет 175 км, а авто Chevy Volt могут преодолеть только 80 км).
Идея литий-воздушных батарей, заложенная еще в проекте "Батарея 500", для электромобилей заключается в использовании оксидов металлов и улавливании кислорода из воздуха при движении автомобиля. Молекулы кислорода, вступая в реакцию с ионами лития и электронами, на поверхности пористого углеродного катода образовывают оксид лития, который при разряде создает электрический ток. При зарядке происходит обратная реакция, и кислород выделяется в атмосферу. Именно поэтому литий-воздушные аккумуляторы еще называют "воздушно-реактивными", которые словно "вдыхают" во время движения и "выдыхают" во время зарядки. Все это работает в компьютерном моделировании, которым подробно изучено взаимодействие органических растворителей электролита с ионами лития и кислорода вблизи поверхности оксида лития. Осталось учесть специфические требования и попытаться воссоздать модель на практике. Проблема в том, что кислород в литий-воздушной батарее разрушает электролит, делая невозможным последующий заряд. Одним из решений будет использование двух различных электролитов – одного для катода, другого для анода с мембраной между ними для исключения смешивания. Будут разработаны мембранные аккумуляторы нового поколения для отделения электролитов, которые в то же время позволят ионам переходить от анода к катоду. Будет создан и новый класс электролитов и высокоэффективных присадок, специально предназначенных для литий-воздушных аналогов.
Литий-воздушные элементы питания для использования в портативных устройствах уже можно встретить в продаже. Они называются аккумуляторами PolyPlus и являются интеллектуальной собственностью в области защищенных электродов и химических батарей в США, также подана заявка на получение международного патента. Использование в таких аккумуляторах мембран из твердого электролита (твердоэлектролитных мембран) в передовой литий-воздушной технологии, предусматривающей формирование изолятора для электронов и лития, смешанного проводящего слоя и ловушку кислорода, устраняет такую проблему как саморазряд. Это значительно увеличивает срок годности и высококачественную работу аккумулятора в течение длительного времени.Ученые предприняли попытку создания и натрий-воздушных батарей, которые имеют емкость 1 600 Втч/кг. Они не так хороши как литий-воздушные, но более впечатляющие, чем стандарт литий-ионных батарей. К сожалению, эти экспериментальные модели можно зарядить только восемь раз, прежде чем они умрут навсегда. Так что пока это изобретение несовершенно со всех сторон.
Над созданием литий-воздушных аккумуляторов работают многие. Так исследователи Массачусетского технологического института трудятся над развитием литий-воздушных технологий с угольными электродами из нановолокон. В прошлом году профессор Янгчуянь Хинг – профессор химической инженерии и биологии университета в штате Миссури за разработку литий-воздушных батарей получил награду $ 1,2 млн. от расширенного исследовательского проекта агентства Энергии (ARPA-E). Над усовершенствованием элементов питания такого типа работает корпорация «Toyota Motor».
Работу над литий-воздушными батареями проводят и ученые Университета Сент-Эндрюс в Шотландии. Одни нашли решение, которое на шаг приближает к практическому использованию - построили Li-O2 ячейки с электролитом диметилсульфоксида с 0,1 MLiCLO4 и нанопористым золотым электродом. Такие клетки сохраняют 95% первоначальной мощности даже после 100 циклов перезарядки. Кроме того, в такой реакции ничто малое количество побочных веществ (1% карбоната лития и формиата лития). Однако использование золота делает переход из лаборатории к практическому применению слишком дорогим. А слова "нанопористый" еще больше увеличивает стоимость. Кроме того, золото в 10 раз тяжелее углерода, а значит и вес батареи соответственно возрастет. Решением может стать использование углеродного катода с напылением золота, но ее еще необходимо дорабатывать до потребительского уровня.
Данные технологии очень важны для дальнейшего развития аккумуляторной промышленности, так как традиционная технология литий-ионных батарей вряд ли сможет превысить показатель 250 Втч/кг из-за того, что стехиометрические окислители и восстановители находятся в концентрированном состоянии.
Воздушные литиевые батареи для электромобилей пока находятся в стадии разработки, но компания IBM благодаря поддержке японских химических компаний (корпорации Asahi Kasei и производителя электролитов Central Glass) надеется, что рабочий прототип литий-воздушного во втором дыхании проекта "Батарея 500" позволит электромобилю на полном заряде проехать 800 километров (что в 10 раз превышает возможности традиционных литиевых аналогов) будет готов к концу этого года.
По поводу жизнеспособности литий-воздушных аккумуляторов разгорелось много дискуссий. Скептически настроенные оппоненты сомневаются на счет практической реализации. На симпозиуме Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли, посвященном аккумуляторам, представитель компании General Motors свое решение не инвестировать в литий-воздушные технологии объяснил так: учитывая требования добавление компрессора и вентилятора, чтобы закачивать воздух снаружи, а также систему, каким-то образом удаляющую следы водяных паров входящего воздуха, которые могут бурно реагировать с литием, маловероятно, что литий-воздушный аккумулятор сможет сэкономить средства. К тому же добавление дополнительных частей увеличит вес автомобиля, что в итоге может превзойти достижения реактивных литий-воздушный батарей. Несмотря на критику и сомнения скептиков, компания IBM планирует начать промышленный серийный выпуск в 2020 - 2030 годах.