Будущее батарей: магний-ионные и литий-воздушные

Будущее батарей: магний-ионные и литий-воздушные 27 Января 2014
Два из наиболее перспективных видов батарей – магний-ионные и литий-воздушные. Чтобы выяснить как обстоят дела в исследованиях этих двух видов батарей, издание Electronics Weekly обратилось к профессору Питеру Брюсу (Peter Bruce) из школы химии Университета Сент-Эндрюс (Великобритания), известного своими работами в исследовании батарей. Литий-ионная технология отлично зарекомендовала себя в батареях, питающих почти каждый современный телефон, ноутбук и электромобиль. Однако литий не является широко распространенным металлом, что делает батареи настолько дорогими, что батареи электромобилей часто нужно субсидировать. И хотя ситуация улучшается на несколько процентов в год, емкость литий-ионных батарей не увеличивается достаточно быстро, особенно для приверженцев электромобилей.

Кремниевые аноды некоторых компаний, включая Panasonic, Amprius и британскую Nexeon обещают относительно большое увеличение емкости литий-ионных батарей. Есть ли здесь предел? «Кремниевые аноды вместо графитных позволят сделать шаг вперед», – сказал Брюс. Однако со всеми ухищрениями с литий-ионным химическим процессом «в лучшем случае мы сможем удвоить емкость».

Магний-ионная технология была предложена в качестве альтернативы литий-ионной, потому что магний более широко распространен и дешевле лития. «Это потенциально привлекательный новичок. Магний работает аналогично литию, он довольно широко распространен, приемлемо дешевый и более легкий в обработке, – сказал Брюс. – Но он несет с собой достаточно много новых проблем». Например, «из лития технологично трудно получить листы и полосы, а из магния еще сложнее». Если магний удастся применить в аккумуляторах, то очень вероятно, что он поможет увеличить емкость. «Если вы получите два электрона на каждый ион, то в принципе, вы можете сохранить больший заряд», – сказал Брюс.

По разным причинам отрицательный электрод в литий-ионном аккумуляторе не может быть сделан из металлического лития, а вместо него используют некоторые формы углерода, часто графит, в который ионы лития могут внедриться, включится. Углерод прибавляет аккумулятору непродуктивную массу и объем. Хотя еще нет доказательств, что магнию не нужен материал-посредник, ученые проявляют значительный интерес, потому что нет подтверждений, что он нужен. Имеется вероятность того, что отрицательный электрод может быть металлическим и поэтому компактным.

«Еще преждевременно говорить, будет ли работать металлический магний, возможно потребуется материал-посредник», – сказал Брюс. Если он будет нужен, то графит не подходит, поэтому поиск подходящего материала может стать еще одним барьером. Также еще идет поиск безопасного недорогого электролита. «Электролит уже создан, что означает, что он может быть создан, – сказал Брюс. – Но вы можете придумать лучшие варианты. Имеется менее экзотический электролит, но он все еще требует большой работы и он все еще недешевый. И к тому же продолжаются поиски подходящего положительного электрода... Магний-ионный аккумулятор – это интересная область». «Имеется множество задач, серьезных задач, но пока что не видно пределов», – сказал Брюс.

Хотя магний-ионная технология может снизить стоимость, литий-воздушная технология может стать большим шагом в увеличении емкости после литий-ионной технологии. Литий-воздушные аккумуляторы подобны литий-ионным, за исключением процессов на положительном электроде, которые позволяют большую часть активного материала заменить кислородом из воздуха «с емкостью в десять раз превышающей сегодняшние аккумуляторы на основе LiCoO2», – сообщили в университете.

Положительный электрод – одновременно и пористый, и проводящий, а ионы лития попадают из электролита в эти поры. Во время разряда кислород заходит в поры и с помощью ионов и катализатора заполняет их твердым оксидом лития. Во время заряда оксид лития распадается снова и освобождает кислород назад в атмосферу. «Литий-ионный аккумулятор – сейчас горячая тема. Он очень похож на гибрид аккумулятора и топливного элемента. Он близок к оптимальному решению, которое может быть получено в батарее», – сказал Брюс.

Однако технология еще слишком далека от использования в реальных батареях. Есть много вопросов, они часто коренятся в элементарной химии, например: «Как сделать образование и распад оксида лития обратимыми цикл за циклом? Можно ли подобрать или создать стабильный электролит? Существуют ли материалы электродов, которые обеспечат длительную работу без реакции с другими материалами?»

«Литий-воздушный аккумулятор – это одна из основных тем сейчас в Сент-Эндрюс», – сказал Брюс.

«Создание положительного электрода – вот чем мы заняты. Пока что неизвестно ничего, чтобы полагать, что литий-воздушные аккумуляторы невозможны, – сказал Брюс. – У меня вызывает энтузиазм скорость нашего продвижения в понимании положительного электрода».

Параллельно с литий-воздушными и магний-ионными аккумуляторами команда Брюса в Сент-Эндрюс также исследует литий-ионные и натрий-ионные и интересуется литий-серными аккумуляторами. «Натрий-ионные аккумуляторы подобны литий-ионным, но натрий является значительно более широко распространенным, – заявил Брюс. – Литий-серные аккумуляторы подобны литий-воздушным, но содержат серу».

Университет в Сент-Эндрюсе исследует замену положительного электрода в литий-ионном аккумуляторе на кислородный электрод, в котором положительные ионы лития из электролита соединяются с кислородом воздуха в пористом углероде. «Мы показали, что восстановление O2 обратимо – это перезаряжаемая система», – заявили в университете.
Поделиться ссылкой:
Наши региональные партнеры