Ученые МГУ сделали еще один шаг к созданию супермощной батарейки
В МГУ продолжается работа над созданием литий-воздушного аккумулятора, мощность которого в пять раз больше, чем у современных литий-ионных батарей. Сотрудники физического и химического факультетов МГУ имени М.В. Ломоносова при помощи моделирования определили, какие процессы лежат в основе перехода электродов литий-воздушных аккумуляторов в неактивное состояние. Результаты работы опубликованы в Journal of Physical Chemistry C.
Литий-воздушные аккумуляторы - устройства, вырабатывающие электроэнергию буквально из воздуха, такие аккумуляторы еще называют литий-кислородными. За счет большей плотности энергии гораздо более эффективны, чем литий-ионные конкуренты. Литий-воздушные аккумуляторы могут оказаться очень востребованными, например, для увеличения пробега электромобилей без подзарядки. Но, несмотря на все преимущества, промышленное производство литий-воздушных аккумуляторов еще не запущено: их разработчики сталкиваются с технологическими сложностями, которые пока что не могут решить.
"Одна из главных проблем разработки таких аккумуляторов - пассивация электрода, то есть переход поверхности материала электрода в неактивное состояние. Мы получили новые данные о механизме реакции и на их основе предложили способы замедлить пассивацию электрода. Предложенную нами методику можно использовать для поиска наиболее подходящих растворителей для электролитов и электродных материалов", - рассказал Артем Сергеев, один из авторов статьи, аспирант кафедры физики полимеров и кристаллов отделения физики твердого тела физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова.
Для нормальной работы литий-воздушных аккумуляторов требуется чистый кислород, а не воздух, представляющий собой смесь атмосферных газов. Углекислый газ и влага, содержащиеся в воздухе, замедляют окислительно-восстановительные реакции, лежащие в основе действия аккумулятора. Чтобы обойти эти препятствия, требуется, по разным оценкам, от 5 до 10 лет. Ученые МГУ исследуют процессы, препятствующие безотказной работе литий-воздушных батарей.
"Вообще, в случае успеха разработки, аккумулятор должен быть литий-воздушным, то есть использовать атмосферный воздух. Нежелательные его компоненты (влага, углекислый газ) должны быть "отфильтрованы" специальными мембранами. Но сейчас существуют и более фундаментальные проблемы, поэтому для их решения, как правило, используют литий-кислородные ячейки, куда подают чистый кислород из баллонов", - прокомментировал Алексей Хохлов, один из авторов статьи, академик РАН, заведующий кафедрой физики полимеров и кристаллов физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова, а также кандидат в президенты РАН (выборы президента РАН состоятся 25 сентября).
В литий-воздушном аккумуляторе катод (положительный электрод) - пористая углеродная губка, в пустотах которой находится содержащий ионы лития электролит, - контактирует с внешней газовой средой. Это нужно для того, чтобы воздух поступал к электролиту - жидкому ионному проводнику. Ученые промоделировали границу раздела электрода и раствора электролита в катоде литий-воздушного аккумулятора и предложили способ замедлить пассивацию электрода. Для полноатомного моделирования методами молекулярной динамики исследователи использовали суперкомпьютерный комплекс МГУ.
"Мы поняли, что образование непроводящих продуктов разряда непосредственно на поверхности электрода (его пассивация), происходит только после связывания промежуточного продукта, супероксид-аниона, с ионами лития, которые в большом количестве присутствуют вблизи электрода. Если их оттуда вытеснить, то, может быть, пассивация перестанет протекать так быстро", - обобщил Алексей Хохлов.
Работа проходила в сотрудничестве с учеными из Ульмского университета, Германия.
