Warning: Cannot modify header information - headers already sent by (output started at /nano-data/main/resources.obj.php:5902) in /nano-data/main/resources.obj.php on line 5089
Infox: Материаловеды МГУ собрали работающую литий-воздушную батарейку
Нанотехнологическое сообщество Нанометр, все о нанотехнологиях
на первую страницу Новости Публикации Библиотека Галерея Сообщество Объявления Олимпиада ABC О проекте
 
  регистрация
помощь
 

Infox: Материаловеды МГУ собрали работающую литий-воздушную батарейку

Ключевые слова:  литий - воздушный аккумулятор, периодика

Автор(ы): Артем Селезнев (Infox), Ася Парфёнова (Infox), Евгений Лешин (Infox), Сергей Северин

Опубликовал(а):  Гудилин Евгений Алексеевич

11 декабря 2009

Портативные телефоны, компьютеры, видеоплееры работают только благодаря энергии литий-ионных батареек. Еще несколько лет назад телефоны и ноутбуки были тяжелее, экраны меньше или не такими яркими, да и время работы оставляло желать лучшего. Ситуацию в корне изменило массовое внедрение литий-ионных батареек, у которых удельные, то есть приходящиеся на вес, мощность и емкость значительно выше, чем у их предшественников — никель-металл-гидридных аккумуляторов.

Многие экологи и экономисты теперь мечтают пересадить нас на электро— или гибридные грузовые автомобили. Однако перед автопроизводителями стоит непростая задача — нужно разработать батарею, которая позволяла бы не только автомобилю быстро ехать, но и удаляться на несколько сотен километров от «электрозаправочной станции». И чтобы водитель не боялся, что посреди пустынной местности его авто потребует подзарядки.

Слишком тяжелый катод

В процессе работы литий-ионного аккумулятора протекают две простые химические реакции. На катоде ионы лития интеркаллируются в слоистый углеродный материал — графит, восстанавливаясь до металлического состояния. На аноде же ионы лития встраиваются в определенные узлы кристаллической решетки сложного оксида лития и кобальта. А при перезарядке покидают их.

Возможно, начало эры электрокаров станет концом такой успешной, но короткой эры литий-ионных аккумуляторов. Дело в том, что в литий-ионной батарейке в процессе работы и зарядки ионы лития перемещаются от углеродного анода, в который они интеркаллированы, к катоду из сложного оксида лития и более тяжелого металла — кобальта. Количество лития, которое может встроиться в такой катод, ограничено самим химическим составом сложного оксида: на каждый атом кобальта катод может принять не более одного атома лития. А значит, увеличивать емкость батареи возможно, лишь увеличивая ее массу и объем.

Идеи из воздуха

Слишком тяжелая и массивная батарея для электроавтомобиля никого не устраивает. Ученые предложили радикальное решение — отказаться от катода вовсе: пусть литий взаимодействует непосредственно с кислородом воздуха, который доступен и практически неисчерпаем. Батареи, работающие на основе этого принципа, называют литий-воздушными.

Впрочем, ученые называют их, как и литий-ионные батареи, вовсе не батареями, а аккумуляторами. Ведь, в отличие от батарей, это источники тока многоразового действия, что очень важно. Покупать новую батарею каждый раз, когда перестал звонить телефон или остановился автомобиль, никто не станет. Да и сам литий — ограниченный на Земле ресурс, и нужен он не только в производстве химических источников тока, но и, например, рассматривается в качестве потенциального топлива для термоядерных реакторов.

В процессе работы литий-воздушного аккумулятора протекающие реакции описываются еще проще. Анод — это фольга из металлического лития, от которой отделяются ионы лития, отдавая электроны. На поверхности катода (пористого углерода) ионы лития взаимодействуют с воздухом, образуя оксид лития, который откладывается тут же — в порах углеродного материала и на поверхности наностержней катализатора.

Удельная, то есть приходящаяся на единицу массы, емкость литий-воздушной батареи может быть более чем в десять раз выше, чем у батареи литий-ионной. То же касается и плотности энергии: объем литий-воздушной батареи будет примерно в десять раз меньше, чем у такой же по напряжению и силе тока литий-ионной.

Не из одних достоинств

Однако у литий-воздушных аккумуляторов есть не только достоинства, но и недостатки. Есть ряд проблем, которые необходимо преодолеть, прежде чем эти источники будут запущены в массовое производство. С этими проблемами борются множество научных групп по всему миру. Неплохих успехов в этом направлении достигли и ученые из лаборатории химического материаловедения химического факультета МГУ им. Ломоносова.

«При создании литий-воздушных батарей существует целый ряд сложностей. Во-первых, достаточно непросто добиться того, чтобы литий, достаточно активный металл, не взаимодействовал с кислородом воздуха… Другая проблема состоит в том, что нам нужно понизить энергетический барьер реакции (лития с кислородом. — Infox.ru), для этого в катодах таких батарей используется катализатор», — рассказал о работе, ведущейся в лаборатории по этому направлению, аспирант факультета наук о материалах (ФНМ) МГУ Даниил Иткис.

Гибридный электролит

электролит - вещество в твердом виде, или его расплав, или раствор одного вещества в другим, который проводит электрический ток благодаря тому, что диссоциирует, то есть распадается, на ионы. Электролиты называют проводниками второго рода, так как они обладают не электронной, а ионной проводимостью.

В лаборатории разрабатывают принципиально новые гибридные электролиты, представляющие собой композицию особого полимера и ионной жидкости. Такие электролиты хорошо проводят ионы лития и при этом служат изолятором металлического литиевого анода, то есть защищают его от кислорода воздуха и других агрессивных агентов атмосферы.

Перед учеными, работающими над электролитами, стоит и другая задача — необходимо создать такой электролит, который будет работать при широком диапазоне температур. Ведь и автомобили, и портативные электронные устройства нужны нам и в жару, и в мороз. Сотрудники и студенты МГУ работают сейчас над тем, чтобы добиться снижения нижней границы температурного диапазона до -50 °С.

Катод и катализатор

Катод тоже требует значительных усовершенствований. Ведь именно на его поверхности происходит взаимодействие лития с кислородом, а образующийся продукт, оксид лития, откладывается в порах губчатой матрицы. В качестве материала катода, вероятнее всего, в будущих литий-воздушных батарейках будет использоваться углерод с высокоразвитой поверхностью. Химики из МГУ работают сейчас с углеродной бумагой.

катализатор - вещество, ускоряющее реакцию, но не являющееся ни исходным компонентом, ни продуктом реакции.

Но для того, чтобы реакция шла с достаточной скоростью и выходом, на поверхность углеродного катода нужно нанести катализатор. И в разработке материала катализатора молодые ученые с ФНМ уже достигли значительных успехов. «Катализаторы, с которыми мы работаем, — это катализаторы на основе наностержней оксида марганца и на основе наностержней оксида ванадия. Эти катализаторы объединяются одним интересным свойством, что в принципе они способны проводить литий внутри своей структуры. При этом еще и работать как катализатор реакции взаимодействия с кислородом, — рассказал Infox.ru Даниил Иткис. — Наша работа строится на неком фундаментальном понимании работы этих катализаторов. То есть в первую очередь мы занимаемся разработкой модели взаимодействия лития с кислородом на поверхности катализаторов. Опираясь на наши фундаментальные знания, мы пытаемся создать практически полезные системы — литий-воздушные батарейки», — добавил ученый.

Литий-воздушная гонка

Батарейка, которую Дмитрий Семененко, магистрант факультета наук о материалах МГУ, собрал в присутствии съемочной группы Infox.ru, продемонстрировала потенциал около 3 вольт, что близко к значениям, используемым в батареях сотовых телефонов. Ток достиг 10 миллиампер (для сравнения, в режиме разговора батарея сотового телефона дает ток около 80 миллиампер). «При этом надо учесть, — объяснил Даниил Иткис, — что батарейка сотового телефона весит около 20 граммов, а наша, если не учитывать тяжелого корпуса, не более грамма».

Как мы уже упоминали, лаборатория химического материаловедения МГУ не единственная в мире, в которой занимаются решением проблемы создания эффективной и надежной литий-воздушной батареи. Например, компания IBM недавно запустила проект, целью которого стало создание батареи, на одном заряде которой электроавтомобиль сможет проехать 500 миль, то есть около 800 км. Пока цель не достигнута, так что у ученых МГУ есть шанс закончить работу первыми.


Get the Flash Player to see this player.


скачать встроить
Прикрепленные файлы:
liair.flv (16.61 МБ.)

 


Средний балл: 8.7 (голосов 9)

 


Комментарии
По-моему, воздушные гальванические элементы - это давно известные вещи. Только сила тока в них ограничена и достаточно невелика. Увеличить её проблематично, так как упираемся в эффективную концентрацию кислорода.

По самой статье вопросов тоже возникает немало.
Насколько ионная жидкость устойчива к воде (читай, гидрофобна)?
Почему оксид лития не превращается в гидроксид и карбонат?
Может ли возникать примесь нитрида лития?
Насколько устойчивы нанонити в контакте со щёлочью?
Насколько эта система вообще обратима?
Трусов Л. А., 11 декабря 2009 15:43 
liar.flv
Пастух Евграфович, 11 декабря 2009 15:56 
Интересно, а кислорода у нас на Земле не убавляется ли?
Щелочи там нет, воды тоже. Батарейки работают
Контакт с воздухом есть, катод ведь должен кислород получать, влажность какая-то в воздухе имеется.

Почему воды (паров) нет?

А батарейка и должна работать. В этом сомнений не было.
На пятом цикле пока и дохнет, но есть надежды на большее.
Трусов Л. А., 12 декабря 2009 02:07 
и на чем надежды основаны, если не секрет?
Semenenko Dmitry Alexandrovich, 12 декабря 2009 15:06 
Сейчас мы должны сконцентрироваться на передаче энергии и вещества без всяких проводов.
Эта задача первостепенная на данный момент.
P.S.такое чувство, что в Белоруси засуха)
Л В А, 12 декабря 2009 15:15 
Возможно дольше будет работать если кислород подавать 99,999%
По другой но похожей же причине в реальные высокоэфф. топливные элементы для БПЛА подают водород такой или более высокой степени очистки.
Указываются неидеальные условия.
Коваленко Артём, 13 декабря 2009 10:55 
[I]Сейчас мы должны сконцентрироваться на передаче энергии и вещества без всяких проводов.
Эта задача первостепенная на данный момент.
[/I]
Тогда учОные из МГУ будут получать зарплату без денег и подпитывать свои силы духовной пищей.
Neugierige, 13 декабря 2009 13:16 
Сейчас мы должны сконцентрироваться на передаче энергии и вещества без всяких проводов.
Но ведь это уже исследовано и используется.
Дима пошутил. На самом деле, мы в ближайшее время хотели сосредоточиться на телекинезе и антигравитации.
Neugierige, 13 декабря 2009 23:07 
[I]ближайшее время хотели сосредоточиться на телекинезе и антигравитации.
[/I]
- и обязательно "психонах"
---
P.S.такое чувство, что в Белоруси засуха)
---

C чего бы? Аномально тепло, это да. А так снежок сперва идёт, а потом хлюпает.
Пастух Евграфович, 14 декабря 2009 11:36 
и берегите кислород у нас на Земле, сажайте деревья!
Neugierige, 15 декабря 2009 00:02 
Палии Наталия Алексеевна, 15 декабря 2009 14:49 
Тогда учОные из МГУ будут получать зарплату без денег и подпитывать свои силы духовной пищей. - и не только ученые из МГУ могут стать "солнцеедами"
Палии Наталия Алексеевна, 15 декабря 2009 14:51 
А если серьезно - то хорошо бы было, чтобы крупная российская компания (с оборотом, как у IBM, например) стала финансировать исследования, проводимые в МГУ, и внедрять их в реальное производство.
Самое интересное, что IBM сама этим активно занимается и делиться не будет
Despotuli, 15 декабря 2009 20:01 
Ток достиг 10 миллиампер

Каковы эффективные плотности тока (на единицу внутренней поверхности)при рабочей температуре элемента?
Grailex, 16 декабря 2009 06:39 
а с чем liar.flv едят???


вот такие умные и .flv забабахали... где логика?!
Морозов Михаил Валерьевич, 16 декабря 2009 13:04 
А почему именно нанострежни, а не наночастицы или нанопленки?
Еще есть один вопрос, связанный с тем, как наностержни закрепляете.
Похоже, Евгений Алексеевич сотоварищи решил переплюнуть IBM и вместо электромобиля решил создать баскетболиста, питающегося исключительно солнечной энергией)
Парфенова Анна Валерьевна, 17 декабря 2009 19:56 
Евгений Алексеевич, ну зачем же вы flv? Можно же было видеоролик уже в плеере воткнуть. Смотреть было бы удобнее явно :)
Похоже, Евгений Алексеевич сотоварищи решил переплюнуть IBM и вместо электромобиля решил создать баскетболиста, питающегося исключительно солнечной энергией

А что? Имплантат в мышцы, чтобы ускорить растворение сахаров в молочных кислотах. За счет, скажем, фотосинтеза (зеленый баскетболист? Хм!)... Только в зале не будет играть такой баскетболист..._)

Для того чтобы оставить комментарий или оценить данную публикацию Вам необходимо войти на сайт под своим логином и паролем. Зарегистрироваться можно здесь

 

Нанолабиринт
Нанолабиринт

Приглашение на международную конференцию «Сканирующая зондовая микроскопия для биологических систем»
НТ-МДТ Спектрум Инструментс совместно с НИТУ «МИСиС» и компанией ICAPPIC рады пригласить Вас на международную школу-конференцию «Сканирующая зондовая микроскопия для биологических систем» 27-28 ноября 2019 года

Наносистемы: физика, химия, математика (2019, том 10, № 5)
Опубликован новый номер журнала "Наносистемы: физика, химия, математика". Ознакомиться с его содержанием, а также скачать необходимые Вам статьи можно по адресу: http://nanojournal.ifmo.ru/articles/volume10/10-5
Там же можно скачать номер журнала целиком.

Заочный тур по комплексу предметов наноолимпиады открыт
Опубликованы задания заочного тура для школьников 7 - 11 классов по комплексу предметов "химия, физика, математика, биология" XIV Всероссийской Интернет-олимпиады по нанотехнологиям "Нанотехнологии - прорыв в будущее!".

Лекция про Дмитрия Ивановича и Наномир на Фестивале науки
Е.А.Гудилин и др., Фестиваль науки
В дни Фестиваля науки «NAUKA 0+» на Химическом факультете МГУ ведущие ученые познакомили слушателей с самыми современными достижениями химии. Ниже приводится небольшой фоторепортаж 1 дня и расписание лекций.

Как правильно заряжать аккумулятор?
Д. М. Иткис
Химик Даниил Иткис о том, как правильно заряжать аккумуляторы гаджетов и почему телефон выключается на холоде

Постлитийионные аккумуляторы
В. А. Кривченко
Физик Виктор Кривченко о перспективных видах аккумуляторов, фундаментальных проблемах в производстве литий-серных источников тока и преимуществах постлитийионных аккумуляторов

Технонано

Технопредпринимательство - идея, которая принесет свои плоды при бережном культивировании и взращивании. И наша наноолимпиада, и Наноград от Школьной Лиги РОСНАНО, и проект Стемфорд, и другие замечательные инициативы - важные шаги на пути реализации этой и других идей, связанных с развитием новых высоких технологий в нашей стране и привлечением молодых талантов в эту вполне стратегическую область. Ниже приведен небольшой опрос, который позволит и нам, и вам понять, а что все же значит этот модный термин, и какова его суть.

Технопредпринимательство на марше

Мы традиционно просим вас высказать свои краткие суждения по вопросу технопредпринимательства и проектной деятельности школьников. Для нас очевидно, что под технопредпринимательством и под проектной деятельностью школьников каждый понимает свое, но нам интересно ваше мнение, заодно вы сможете увидеть по мере прохождения опроса, насколько оно совпадает или отличается от мнения остальных. Ждем ваших ответов!

О наноолимпиаде замолвите слово...

Прошла XII Всероссийская олимпиада "Нанотехнологии - прорыв в Будущее!" Мы надеемся, что нам для улучшения организации последующих наноолимпиад поможет электронное анкетирование. Мы ждем Ваших замечаний, пожеланий, предложений. Спасибо заранее!



 
Сайт создан в 2006 году совместными усилиями группы сотрудников и выпускников ФНМ МГУ.
Сайт модернизирован для ресурсной поддержки проектной деятельности учащихся в рамках ГК 16.647.12.2059 (МОН РФ)
Частичное или полное копирование материалов сайта возможно. Но прежде чем это делать ознакомьтесь с инструкцией.