Ученые факультета наук о материалах и химического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова изучили причины недолговечности  литий-воздушный источников тока, которые рассматриваются как «аккумуляторы будущего». Статья, в которой они доказывают недолговечность таких источников тока, опубликована в Journal of Physical Chemistry С, популярно об исследовании рассказывает пресс-служба МГУ.

Литий-воздушные, или  литий-кислородные аккумуляторы во много раз превышают ключевые показатели литий-ионных аккумуляторов: они легче и теоретически могут запасать в пять раз больше энергии по сравнению с обычными литий-ионными. Эти качества делают их весьма перспективными для применения в электромобилях. Несколько лет назад ученые анонсировали такие модели, обещая, что литий-воздушные аккумуляторы будут дешевле и эффективнее литий-ионных почти на 90% и  в ближайшее время смогут вытеснить их с рынка. Но обещанные события так и не произошли, и на рынке аккумуляторов по-прежнему лидирует литий-ионный конкурент. 

Химики МГУ исследовали процессы электрохимического восстановления кислорода в литий-воздушном аккумуляторе. Как поясняется в сообщении, в литий-воздушного аккумуляторе при разряде аккумулятора отрицательный электрод, представляющий собой литиевую фольгу, растворяется, и образующиеся ионы лития мигрируют через слой электролита к положительному электроду. В качестве положительного электрода используется это пористая углеродная губка, пропитанная электролитом. Кислород поступает в ячейку снаружи, растворяется в электролите, и его молекулы достигают углеродного положительного электрода. На границе углерода и электролита протекает один из ключевых процессов — электрохимическое восстановление кислорода. Молекулы кислорода получают электроны из углеродного материала, а потом соединяются с ионами лития. В конечном счете образуется продукт разряда аккумулятора — твердый пероксид лития, который оседает в порах углеродного материала. Но образуется пероксид не сразу — сначала получаются очень активные частицы, супероксид-анионы.

Но, несмотря на теоретическую безупречность, литий-воздушные аккумуляторы не получается перезарядить более чем несколько раз: после нескольких циклов перезаряда аккумулятора углеродный положительный электрод, на котором происходит реакция кислорода с литием, разрушается и перестает проводить электрический ток. Как выяснили ученые МГУ, это происходит из-за образующихся супероксид-анионов: они настолько активны, что провоцируют реакции окисления электролита и углеродного электрода. В итоге окислительной реакции материалы «портятся», а электролит расходуется на эти побочные процессы.

«Разработка нового типа металл-воздушных батарей с неводными электролитами, а именно литий-воздушных источников тока, наделав много шума несколько лет назад, сегодня зашла в тупик. Оказалось, что восстановление кислорода в этих литий-воздушных аккумуляторах проходит крайне сложно и многоступенчато и к тому же сопровождается кучей нежелательных побочных реакций. Желание многих исследователей и инноваторов поскорее коммерциализировать такие батарейки, которые могли бы превысить ключевые показатели литий-ионных аккумуляторов во много раз, оказалось нереализуемым без глубокого понимания механизмов процессов, протекающих внутри аккумулятора», — цитируются в сообщении пояснения одного из авторов исследования, старшего научного сотрудника кафедры неорганической химии химического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова, кандидата химических наук Даниила Иткиса.

Однако ученые уверены, что их исследование не ставит крест на возможности применения литий-воздушных источников тока: как они полагают, понимание уязвимых мест лишь позволяет усовершенствовать модели, приблизить их к реальности и впоследствии перенести их изготовление из лаборатории на масштабное производство. В частности, предыдущие исследования группы показали, что разрушение углеродного материала при атаке супероксид-анионов начинается в местах, где в углероде есть дефекты. Новое исследование, с одной стороны, подтвердило эту гипотезу, но. с другой, подсказало возможный выход: как полагает Даниил Иткинс, исследователи, зная особенности материала, могут в дальнейших экспериментах постараться сместить зону протекания реакции как можно дальше от углеродной пластины.