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.
