Что такое воздушные аккумуляторы

Почему литиево-воздушные батареи хотели не применять в электромобилях Tesla

По нынешним меркам идея литиево-воздушных (литиево-кислородных) батарей была предложена давно. В 70-х годах прошлого столетия эти батареи рассматривали в качестве возможного источника питания для электромобилей. Поиск новых возобновляемых источников энергии в наше время вынудил учёных обратиться к забытой концепции.

Теоретически литиево-кислородные батареи могут располагать крайне высокой плотностью энергии.

Принцип работы

Литиево-воздушные батареи могут различаться в конструкции и химическом составе, но принцип работы остаётся одинаковым для накопителей этого типа: литиевый анод окисляется кислородом воздуха. Металл, взаимодействуя с кислородом, отдает электроны. Положительно заряженный ион лития, переносит заряд, проникая в кристаллическую решётку графита.

На сколько киллометров хватает батареи

Низкая плотность металлического лития и неограниченное количество окислителя, находящегося в воздухе, дают теоретическую возможность батарее сохранить и отдать количество энергии на килограмм своего веса такое же, как у бензинового двигателя. Такой потенциал когда-нибудь позволит электромобилю двигаться 800 километров без подзарядки.

Большой минус, котрорый ставит крест производстве

В реальности такую плотность энергии достичь невероятно трудно. Многие специалисты поставили на литиево-кислородных батареях, как на источнике энергии для электромобиля, крест. Эти аккумуляторы оказались недолговечны из-за образования побочных продуктов окислительно-восстановительных реакций, в результате чего засорялись электроды. Литиево-кислородные батареи недолговечны. Они выдерживают всего несколько циклов зарядки и разрядки.

Решение проблемы не долговечности

Не все учёные опустили руки. Группа исследователей из Кембриджского университета под руководством профессора Клер Грей, используя ряд нововведений, создала очередной прототип литиево-воздушной батареи.

Учёные изменили состав электролита: в органический растворитель диметоксиэтан добавили йодид лития. В ходе реакции окисления лития на катоде образуется его гидроксид, легко разлагающийся при подзарядке батареи. Ранее в этом случае образовывался пероксид лития. Он, являясь стойким соединением, засорял катод.

Высокая реакционная способность лития, взаимодействующего с электролитом, в предыдущих вариантах разрушала аккумулятор, выводя из строя анод. Теперь эта проблема решена.

Где уже применяют?

Учёные заменили материал катода, использовав в его качестве графен, значительно увеличивший ёмкость батареи.

В сообщении для прессы профессор Грей отметила, что аккумулятор, модифицированный её исследовательской группой, выдержал 2000 циклов зарядов и разрядов. Снижение производительности при этом было незначительно, а энергоэффективность составила 93%. Учёные полагают, что их батарея способна хранить энергии в 5 раз больше, чем аналог в существующих аккумуляторах. Примером может быть электромобиль Тесла.

Какие еще есть препятствия к производству таких аккумуляторов

Несмотря на значительные успехи в модификации литиево-воздушных батарей, существует достаточное количество проблем в этой области, решить которые ещё только предстоит учёным. Одна из них заключается в том, что на аноде образуются литиевые веретенообразные волокна, способные привести к взрыву аккумулятора.

Существенным ограничением в работе нового прототипа литиево-воздушной батареи является его функционирование лишь в атмосфере чистого кислорода. Углекислый газ, азот и влага, содержащиеся в воздухе, негативно влияют на электрод.

Заключение

Видео: Алюминий-воздушный аккумулятор

Профессор Грей отметила, что её группе исследователей на пути к усовершенствованию литиево-воздушной батареи удалось решить часть задач, казавшихся многим безнадёжными. Она уверена, что её команда преодолеет оставшиеся конструкционные трудности.

Автор и редактор обзоров по гаджетам и новой техники. Ведет работы по написанию свежих рейтингов к публикациям, проверки достоверности и актуальности информации уже опубликованных статей. Отвечает на вопросы в комментариях, пишет на авто темы.

Источник

Алюминиево-воздушная батарея — Aluminium–air battery

Алюминиево-воздушная батарея

Удельная энергия	1300 (практическая), 6000/8000 (теоретическая) Вт · ч / кг
Плотность энергии	N / A
Удельная мощность	200 Вт / кг
Номинальное напряжение ячейки	1,2 В

Алюминий-воздушные батареи (Al-воздушные батареи) производства электроэнергии из реакции кислорода в воздухе с алюминием . У них одна из самых высоких плотностей энергии среди всех батарей, но они не получили широкого распространения из-за проблем, связанных с высокой стоимостью анодов и удалением побочных продуктов при использовании традиционных электролитов. Это ограничило их использование в основном в военных целях. Однако электромобиль с алюминиевыми батареями имеет потенциал в восемь раз больший запас хода, чем литий-ионный аккумулятор, при значительно меньшем общем весе.

Алюминиево-воздушные батареи являются первичными , т. Е. Неперезаряжаемыми. Как только алюминиевый анод израсходуется в результате реакции с кислородом воздуха на катоде, погруженном в электролит на водной основе, с образованием гидратированного оксида алюминия , батарея больше не будет вырабатывать электричество. Однако можно механически перезарядить аккумулятор с новыми алюминиевыми анодами, изготовленными из вторичного использования гидратированного оксида алюминия. Такая переработка была бы необходима, если бы алюминиево-воздушные батареи получили широкое распространение.

Автомобили с приводом от алюминия обсуждаются уже несколько десятилетий. Гибридизация снижает затраты, и в 1989 году сообщалось о дорожных испытаниях гибридной алюминиево-воздушной / свинцово-кислотной батареи в электромобиле. Гибридный минивэн с алюминиевым двигателем был продемонстрирован в Онтарио в 1990 году.

В марте 2013 года компания Phinergy выпустила видеодемонстрацию электромобиля с алюминиево-воздушными ячейками, проехавшего 330 км с использованием специального катода и гидроксида калия. 27 мая 2013 года в вечернем выпуске новостей израильского канала 10 был показан автомобиль с аккумулятором Phinergy в задней части, требующий дальности действия 2000 километров (1200 миль), прежде чем потребуется замена алюминиевых анодов.

СОДЕРЖАНИЕ

Электрохимия

Анодного окисления полуреакция является Al + 3OH —
→ Al (ОН)
3 + 3e — +2,31 В.

Катода уменьшение наполовину реакции O
2 + 2H
2 O + 4e — → 4OH —
+0,40 В.

Общая реакция 4Al + 3O
2 + 6H
2 О → 4Al (ОН)
3 +2,71 В.

Эти реакции создают разность потенциалов около 1,2 вольт, и это достижимо на практике при использовании гидроксида калия в качестве электролита. Электролит с морской водой достигает примерно 0,7 В на элемент.

Удельное напряжение ячейки может варьироваться в зависимости от состава электролита, а также от структуры и материалов катода.

Аналогичным образом можно использовать и другие металлы, например, литий-воздух , цинк-воздух , марганец-воздух и натрий-воздух, некоторые с более высокой плотностью энергии. Однако алюминий привлекателен как наиболее прочный металл.

Коммерциализация

вопросы

Алюминий как «топливо» для транспортных средств изучалось Янгом и Никлем. В 2002 году они пришли к выводу:

Система алюминиево-воздушной аккумуляторной батареи может генерировать достаточно энергии и мощности для диапазона движения и ускорения, как у автомобилей с бензиновым двигателем . стоимость алюминия в качестве анода может составлять всего 1,1 доллара США / кг, если продукт реакции используется повторно. . Общая топливная эффективность во время цикла в электромобилях с алюминиевым / воздушным двигателем (EV) может составлять 15% (текущий этап) или 20% (прогноз), что сравнимо с КПД автомобилей с двигателем внутреннего сгорания (ДВС) (13%). Расчетная плотность энергии батареи составляет 1300 Втч / кг (текущая) или 2000 Втч / кг (прогнозируемая). Стоимость аккумуляторной системы, выбранной для оценки, составляет 30 долларов США / кВт (текущая) или 29 долларов США / кВт (прогнозируемая). Был проведен анализ жизненного цикла алюминиевых / воздушных электромобилей и проведено сравнение свинцово-кислотных и никель-металлгидридных (NiMH) электромобилей. Можно спроектировать, что только электромобили с воздушным / воздушным двигателем будут иметь диапазон хода, сопоставимый с ДВС. Исходя из этого анализа, электромобили с воздушным / воздушным транспортом являются наиболее многообещающими кандидатами по сравнению с двигателями внутреннего сгорания с точки зрения дальности поездки, закупочной цены, стоимости топлива и стоимости жизненного цикла.

Остается решить технические проблемы, чтобы сделать воздушно-воздушные батареи пригодными для электромобилей. Аноды из чистого алюминия корродируют электролитом, поэтому алюминий обычно легирован оловом или другими элементами. Гидратированный оксид алюминия, который образуется в результате реакции в ячейке, образует гелеобразное вещество на аноде и снижает выработку электроэнергии. Этот вопрос решается в ходе разработки алюминиево-воздушных ячеек. Например, были разработаны добавки, которые образуют оксид алюминия в виде порошка, а не геля.

Современные воздушные катоды состоят из реактивного слоя углерода с токосъемником из никелевой сетки, катализатора (например, кобальта ) и пористой гидрофобной пленки ПТФЭ , предотвращающей утечку электролита. Кислород в воздухе проходит через ПТФЭ, а затем вступает в реакцию с водой с образованием гидроксид-ионов. Эти катоды работают хорошо, но могут быть дорогими.

Традиционные алюминиево-воздушные батареи имели ограниченный срок хранения, потому что алюминий вступал в реакцию с электролитом и выделял водород, когда батарея не использовалась, хотя это уже не относится к современным конструкциям. Этой проблемы можно избежать, храня электролит в резервуаре вне батареи и передавая его в батарею, когда он необходим для использования.

Эти батареи могут использоваться, например, как резервные батареи в телефонных станциях и как резервные источники питания .

Алюминиево-воздушные батареи могут стать эффективным решением для морских применений из-за их высокой плотности энергии, низкой стоимости и большого количества алюминия при отсутствии выбросов в месте использования (лодки и корабли). Phinergy Marine , RiAlAiR и несколько других коммерческих компаний работают над коммерческими и военными приложениями в морской среде.

В настоящее время ведутся исследования и разработки альтернативных, более безопасных и эффективных электролитов, таких как органические растворители и ионные жидкости.

Источник

Литий-воздушная батарея — Lithium–air battery

Литий-воздушная батарея

Удельная энергия	40 104 000 Дж / кг (теоретическое)
Плотность энергии	? Дж / м³
Удельная мощность	11400 Вт / кг
Номинальное напряжение ячейки	2,91 В

Литий-воздушная батарея ( литий-воздух ) представляет собой металл-воздух электрохимического элемент или батарею химия , который использует окисление из лития на аноде и снижения из кислорода на катоде , чтобы вызвать протекание тока.

Соединение лития и окружающего кислорода теоретически может привести к образованию электрохимических ячеек с максимально возможной удельной энергией . Действительно, теоретическая удельная энергия неводной литий-воздушной батареи в заряженном состоянии с продуктом Li ₂ O _2, исключая массу кислорода, составляет

40,1 МДж / кг. Это сопоставимо с теоретической удельной энергией бензина

46,8 МДж / кг. На практике были продемонстрированы литий-воздушные батареи с удельной энергией

6,12 МДж / кг на уровне элементов. Это примерно в 5 раз больше, чем у коммерческой литий-ионной батареи , и этого достаточно для пробега электромобиля массой 2000 кг на расстояние

500 км (310 миль) на одной зарядке с использованием 60 кг аккумуляторов. Однако практическая мощность и срок службы литий-воздушных батарей нуждаются в значительных улучшениях, прежде чем они смогут занять рыночную нишу.

Для разработки коммерческого внедрения необходимы значительные усовершенствования в области электролитов. Рассматриваются четыре подхода: апротонный , водный , твердотельный и смешанный водно-апротонный.

Основным драйвером рынка аккумуляторов является автомобильный сектор. Плотность энергии бензина составляет примерно 13 кВт · ч / кг, что соответствует 1,7 кВт · час / кг энергии, передаваемой колесам после потерь. Теоретически литий-воздух может достигать 12 кВт · ч / кг (43,2 МДж / кг) без учета массы кислорода. С учетом веса полной аккумуляторной батареи (корпус, воздушные каналы, литиевая подложка), хотя сам литий очень легкий, плотность энергии значительно ниже.

СОДЕРЖАНИЕ

История

Первоначально предложенные в 1970-х годах в качестве возможного источника энергии для аккумуляторных электромобилей и гибридных электромобилей , литий-воздушные батареи вновь привлекли научный интерес в конце первого десятилетия 2000-х годов благодаря достижениям в области материаловедения .

Хотя идея литий-воздушной батареи возникла задолго до 1996 года, соотношение риска и пользы было воспринято как слишком высокое, чтобы его можно было реализовать. Действительно, как отрицательный (металлический литий), так и положительный (воздушный или кислородный) электроды являются причинами, по которым, соответственно, перезаряжаемые литий-металлические батареи не смогли выйти на рынок в 1970-х годах (литий-ионный аккумулятор в мобильном устройстве использует LiC ₆ — соединение графита на отрицательном электроде, а не металлический литий). Тем не менее, из-за предполагаемого отсутствия других альтернатив перезаряжаемым батареям с высокой удельной энергией и из-за некоторых первоначально многообещающих результатов академических лабораторий, количество патентов и публикаций в свободной области, связанных с литий-кислородным (включая Li-воздух) Аккумуляторы начали экспоненциально расти в 2006 году. Однако технические трудности, с которыми сталкиваются такие аккумуляторы, особенно время перезарядки, чувствительность к азоту и воде, а также низкая проводимость заряженных частиц Li ₂ O ₂ являются серьезными проблемами.

Конструкция и работа

Обычно ионы лития перемещаются между анодом и катодом через электролит. При разряде электроны следуют за внешней цепью, совершая электрическую работу, а ионы лития мигрируют к катоду. Во время зарядки пластин металлического лития на аноде, высвобождая O
2 на катоде. Были рассмотрены как неводные (с Li ₂ O ₂ или LiO ₂ в качестве продуктов разряда), так и водные (LiOH в качестве продукта разряда) Li-O ₂ батареи. Аккумулятор на водной основе требует защитного слоя на отрицательном электроде, чтобы металл Li не вступал в реакцию с водой.

Металлический литий — типичный выбор анода. На аноде электрохимический потенциал заставляет металлический литий высвобождать электроны путем окисления (без участия катодного кислорода). Половина реакции:

Литий имеет высокую удельную емкость (3840 мАч / г) по сравнению с другими материалами металл-воздушной батареи (820 мАч / г для цинка, 2965 мАч / г для алюминия ). На такие клетки влияет несколько проблем. Основная проблема при разработке анода — предотвратить реакцию анода с электролитом. Альтернативы включают новые материалы электролита или изменение интерфейса между электролитом и анодом. Литиевые аноды создают риск образования дендритных отложений лития, снижения энергоемкости или возникновения короткого замыкания . Влияние размера пор и распределения пор по размерам остается плохо изученным.

При зарядке / разрядке в апротонных элементах слои солей лития осаждаются на аноде, в конечном итоге покрывая его и создавая барьер между литием и электролитом. Этот барьер первоначально предотвращает коррозию, но в конечном итоге тормозит кинетику реакции между анодом и электролитом. Это химическое изменение границы раздела твердое тело-электролит (SEI) приводит к изменению химического состава по всей поверхности, вызывая соответствующее изменение тока. Неравномерное распределение тока способствует росту ветвящихся дендритов и обычно приводит к короткому замыканию между анодом и катодом.

В водных ячейках проблемы в SEI возникают из-за высокой реакционной способности металлического лития с водой.

Несколько подходов пытаются решить эти проблемы:

• Формирование литий-ионного защитного слоя с использованием ди- и триблок- сополимерных электролитов. Согласно Seeo, Inc., такие электролиты (например, полистирол с высокой литий-ионной проводимостью мягкого полимерного сегмента, такого как поли (этиленоксид (ПЭО) и смесь литиевых солей)) сочетают в себе механическую стабильность твердого полимера. полимерный сегмент с высокой ионной проводимостью мягкой смеси полимер – литиевая соль. Твердость препятствует короткому замыканию дендритов за счет механической блокировки.
• Литий-ионное проводящее стекло или стеклокерамические материалы (как правило) легко восстанавливаются металлическим литием, и поэтому тонкая пленка стабильного литий-проводящего материала, такого как Li
  3 П или Ли
  3 N , может быть вставлен между керамикой и металлом. Этот SEI на керамической основе препятствует образованию дендритов и защищает металлический литий от атмосферного загрязнения.

Катод

На катоде во время заряда кислород отдает литию электроны посредством восстановления. Мезопористый углерод использовался в качестве катодной подложки с металлическими катализаторами, которые улучшают кинетику восстановления и увеличивают удельную емкость катода. Марганец, кобальт, рутений, платина, серебро или смесь кобальта и марганца являются потенциальными металлическими катализаторами. При некоторых обстоятельствах катоды, катализируемые марганцем, работали лучше всего, с удельной емкостью 3137 мА · ч / г углерода, а катоды, катализируемые кобальтом, работали на втором месте с удельной емкостью 2414 мА · ч / г углерода. Основываясь на первом моделировании литий-воздушных батарей в масштабе пор, микроструктура катода существенно влияет на емкость батареи как в режимах без блокировки пор, так и в режиме блокировки пор.

Большинство ограничений для литий-воздушной батареи находится на катоде, что также является источником ее потенциальных преимуществ. На катоде должен присутствовать атмосферный кислород, но такие загрязнители, как водяной пар, могут его повредить. Неполный разряд из-за блокировки пористого углеродного катода продуктами разряда, такими как пероксид лития (в апротонных конструкциях), является наиболее серьезным.

Катализаторы показали себя многообещающими в создании преимущественного зародышеобразования Li
2 О
2 над Ли
2 O , необратимый по отношению к литию.

Литий-воздушные характеристики ограничены эффективностью реакции на катоде, поскольку большая часть падения напряжения происходит именно там. Были оценены различные химические составы, различающиеся по электролиту. Это обсуждение сосредоточено на апротонных и водных электролитах, поскольку твердотельная электрохимия плохо изучена.

В ячейке с апротонным электролитом оксиды лития получают восстановлением на катоде:

где «*» обозначает участок поверхности на Li
2 О
2 где происходит рост, который по сути представляет собой нейтральную вакансию Li в Li
2 О
2 поверхность.

Оксиды лития не растворяются в апротонных электролитах, что приводит к засорению катода.

A MnO
2 Катод с нанопроволочной матрицей, дополненный генетически модифицированным вирусом бактериофага M13, обеспечивает удельную энергию в два-три раза выше, чем у литий-ионных батарей 2015 года. Вирус увеличил размер массива нанопроволок, который составляет около 80 нм в поперечнике. Полученные провода имели шиповатую поверхность. Шипы создают большую площадь поверхности для размещения участков реакции. Вирусный процесс создает сшитую трехмерную структуру, а не изолированные проволочки, стабилизирующие электрод. Вирусный процесс происходит на водной основе и протекает при комнатной температуре.

Электролит

Усилия в области литий-воздушных батарей были сосредоточены на четырех электролитах: водном кислотном, водном щелочном, неводном протонном и апротонном.

В ячейке с водным электролитом при восстановлении на катоде также может образоваться гидроксид лития:

Водный

Водный литий-воздушная батарея состоит из металлического лития анода, водного электролита и пористого углеродного катода. Водный электролит объединяет соли лития, растворенные в воде. Это позволяет избежать засорения катода, поскольку продукты реакции водорастворимы. Водный дизайн имеет более высокий практический разрядный потенциал, чем его апротонный аналог. Однако металлический литий бурно реагирует с водой, и поэтому конструкция на водной основе требует наличия твердого электролита на границе раздела между литием и электролитом. Обычно используется литий-проводящая керамика или стекло, но проводимость обычно низкая (порядка 10 -3 См / см при температуре окружающей среды).

Кислый электролит

В реакции участвует конъюгированное основание. Теоретическая максимальная удельная энергия и плотность энергии литий-воздушной ячейки составляют 1400 Вт · ч / кг и 1680 Вт · ч / л, соответственно.

Щелочной водный электролит

Молекулы воды участвуют в окислительно-восстановительных реакциях на воздушном катоде. Теоретическая максимальная удельная энергия и плотность энергии литий-воздушной ячейки составляют 1300 Вт · ч / кг и 1520 Вт · ч / л, соответственно.

Новые катодные материалы должны учитывать размещение значительных количеств LiO.
2 , Ли
2 О
2 и / или LiOH, не вызывая блокирования катодных пор, и используют подходящие катализаторы, чтобы сделать электрохимические реакции энергетически практичными.

• Материалы с двухпористой системой обладают наиболее многообещающей энергоемкостью.

• Первая система пор служит хранилищем продуктов окисления.
• Вторая система пор служит транспортом кислорода.

Апротический

Первыми были продемонстрированы неводные литий-воздушные аккумуляторы. Они обычно используют смешанные растворители этиленкарбонат + пропиленкарбонат с солями LiPF ₆ или Li-бис-сульфонимидов, как и обычные литий-ионные батареи, однако с гелеобразным, а не жидким электролитом. Разница напряжений при зарядке и разрядке постоянным током обычно составляет от 1,3 до 1,8 В (с OCP около 4,2 В) даже при таких смехотворно низких токах, как 0,01–0,5 мА / см² и 50–500 мА / г C на положительный электрод (см. рис. 2). Однако карбонатные растворители испаряются и окисляются из-за высокого перенапряжения при зарядке. Были рассмотрены другие растворители, такие как глимы с концевыми группами, ДМСО, диметилацетамид и ионные жидкости. Углеродный катод окисляется выше +3,5 В v Li во время зарядки, образуя Li ₂ CO ₃ , что приводит к необратимой потере емкости.

Большинство усилий было связано с апротонными материалами, которые состоят из анода из металлического лития, жидкого органического электролита и пористого углеродного катода. Электролит может быть изготовлен из любой органической жидкости, способной сольватировать соли лития, такой как LiPF.
6 , LiAsF
6 , LiN (SO
2 CF
3 )
2 , и LiSO
3 CF
3 ), но обычно состояли из карбонатов , простых и сложных эфиров . Углеродный катод обычно изготавливается из углеродного материала с большой площадью поверхности с наноструктурированным металлооксидным катализатором (обычно MnO
2 или Mn
3 О
4 ). Основным преимуществом является самопроизвольное образование барьера между анодом и электролитом (аналогично барьеру, образованному между электролитом и углеродно-литиевыми анодами в обычных литий-ионных батареях), который защищает металлический литий от дальнейшей реакции с электролитом. Несмотря на то, что Li
2 О
2 образующийся на катоде, как правило, нерастворим в органическом электролите, что приводит к накоплению на границе раздела катод / электролит. Это делает катоды в апротонных батареях склонными к засорению и увеличению объема, что постепенно снижает проводимость и ухудшает характеристики батареи. Другая проблема заключается в том, что органические электролиты легко воспламеняются и могут воспламениться при повреждении элемента.

Хотя большинство исследований сходятся во мнении, что Ли
2 О
2 является конечным продуктом разряда неводных Li-O ₂ аккумуляторов, что свидетельствует о том, что его образование не протекает как прямое 2-электронное электровосстановление до пероксида O 2-
2 (который является обычным путем восстановления O ₂ в воде на углероде), а скорее через одноэлектронное восстановление до супероксида O —
2 с последующим его диспропорционированием:

Супероксид (O —
2 ) Традиционно рассматривается как опасный промежуточный в апротонных батарей кислорода из — за его высокой Нуклеофильность , основности и окислительно — восстановительного потенциала Однако доклады свидетельствуют о том, что LiO ₂ является и промежуточным во время разряда пероксида ( Li
2 О
2 ) и может использоваться в качестве конечного продукта разряда, потенциально с увеличенным сроком службы, хотя и с более низкой удельной энергией (немного более тяжелый вес батареи). Действительно, было показано, что при определенных условиях супероксид может быть стабильным в течение 20–70 ч при комнатной температуре. Необратимая потеря емкости из-за диспропорционирования LiO ₂ в заряженной батарее не рассматривалась.

Pt / C, по-видимому, является лучшим электрокатализатором для выделения O _2, а Au / C — для восстановления O _2, когда Li
2 О
2 это продукт. Тем не менее, «производительность перезаряжаемых литий-воздушных батарей с неводными электролитами ограничена реакциями на кислородном электроде, особенно выделением O _2. Обычные пористые углеродно-воздушные электроды не могут обеспечить емкости мАч / г и мАч / см 2. и скорость разряда на уровне, необходимом для аккумуляторов с действительно высокой плотностью энергии для электромобилей ». Емкость (в мАч / см 2 ) и срок службы неводных Li-O ₂ батарей ограничены отложением нерастворимых и плохо проводящих электроны фаз LiOx при разряде. ( Ли
3 О
4 по прогнозам, имеет лучшую проводимость Li +, чем LiO ₂ и Li
2 О
2 фазы). Это делает практическую удельную энергию Li-O ₂ батарей значительно меньше, чем предсказывает расчет уровня реагента. Похоже, что эти параметры достигли своего предела, и дальнейшее улучшение ожидается только от альтернативных методов.

Смешанная водно-апротонная

Конструкция водно-апротонной или смешанной литий-воздушной батареи является попыткой объединить преимущества апротонной и водной конструкций батарей. Общей чертой гибридных конструкций является двухкомпонентный (одна часть водного и одна апротонная) электролит, соединенный литий-проводящей мембраной . Анод упирается в апротонную сторону, в то время как катод контактирует с водной стороной. Литийпроводящая керамика обычно используется в качестве мембраны, соединяющей два электролита.

Использование твердого электролита (см. Рис. 3) является одним из таких альтернативных подходов, который позволяет комбинировать анод из металлического лития с водным катодом. Керамические твердые электролиты (CSE) семейства NASICON (например, Li _{1 − x} A _x M _{2 − x} (PO ₄ ) ₃ с A ∈ [Al, Sc, Y] и M ∈ [Ti, Ge]) были исследованы . Совместимы с водой при щелочном pH и имеют большое электрохимическое окно (см. Рис. 3, 4), их низкая проводимость по ионам Li + вблизи комнатной температуры ( 85 Ом · см 2 ) делает их непригодными для использования в автомобильной и стационарной энергетике. приложения для хранения данных, требующие низкой стоимости (например, плотности рабочего тока более 100 мА / см 2 ). Кроме того, как Ti, так и Ge восстанавливаются металлическим Li, и требуется промежуточный слой между керамическим электродом и отрицательным электродом. Напротив, твердые полимерные электролиты (ТПЭ) могут обеспечивать более высокую проводимость за счет более быстрого перехода воды и других небольших молекул, которые реагируют по отношению к металлическому Li. Среди наиболее экзотических мембран для Li-O ₂ аккумуляторов — монокристаллический кремний.

В 2015 году исследователи объявили о конструкции, в которой для анода использовался высокопористый графен , электролит из бис (трифторметил) сульфонилимида / диметоксиэтана лития с добавлением воды и иодида лития для использования в качестве «посредника». Электролит производит гидроксид лития (LiOH) на катоде вместо пероксида лития ( Li
2 О
2 ). Результат обеспечил энергоэффективность 93% (разрыв напряжения 0,2) и более 2000 циклов включения без малейшего влияния на производительность. Однако конструкция требовала чистого кислорода, а не окружающего воздуха.

Твердое состояние

Твердотельный дизайн батареи является привлекательным для его безопасности, что исключает возможность возгорания от разрыва. В современных твердотельных литий-воздушных батареях используются литиевый анод, керамический, стеклянный или стеклокерамический электролит и пористый углеродный катод. Анод и катод обычно отделены от электролита полимерно-керамическими композитами, которые усиливают перенос заряда на аноде и электрохимически связывают катод с электролитом. Композиты полимер-керамика уменьшают полное сопротивление. Основным недостатком твердотельной батареи является низкая проводимость большинства стеклокерамических электролитов. Ионная проводимость современных литиевых проводников на быстрых ионах ниже, чем у альтернатив с жидким электролитом.

Вызовы

По состоянию на 2013 год дизайнеры столкнулись с множеством проблем.

Катод

Большинство ограничений для литий-воздушной батареи находится на катоде, что также является источником ее потенциальных преимуществ. Неполный разряд из-за блокировки пористого углеродного катода продуктами разряда, такими как перекись лития (в апротонных конструкциях), является наиболее серьезным. Было смоделировано несколько режимов выделений. Параметр Da был определен для измерения изменений температуры, концентрации веществ и потенциалов.

Влияние размера пор и распределения пор по размерам остается плохо изученным.

Катализаторы показали себя многообещающими в создании преимущественного зародышеобразования Li
2 О
2 над Ли
2 O , необратимый по отношению к литию.

На катоде должен присутствовать атмосферный кислород, но такие загрязнители, как водяной пар, могут его повредить.

Электрохимия

В конструкциях ячеек 2017 года перенапряжение заряда намного выше, чем перенапряжение разряда. Значительное перенапряжение заряда указывает на наличие вторичных реакций. Таким образом, электрический КПД составляет всего около 65%.

Катализаторы типа MnO
2 , Co, Pt и Au потенциально могут снизить перенапряжение , но эффект плохо изучен. Некоторые катализаторы улучшают характеристики катода, особенно MnO.
2 , а механизм улучшения известен как окислительно-восстановительный потенциал кислорода на поверхности, обеспечивающий множество начальных участков роста пероксида лития. Сообщается также, что катализаторы могут изменять структуру оксидных отложений.

Еще одна проблема — значительное падение емкости элемента с увеличением скорости разряда. Уменьшение емкости ячейки связано с ограничениями кинетического переноса заряда. Поскольку анодная реакция происходит очень быстро, считается, что пределы переноса заряда возникают на катоде.

Стабильность

Длительная работа от аккумулятора требует химической стабильности всех компонентов элемента. Современные конструкции ячеек показывают плохую стойкость к окислению продуктами реакции и промежуточными продуктами. Многие водные электролиты летучие и со временем могут испаряться. Стабильности в целом препятствуют паразитарные химические реакции, например реакции с участием реактивного кислорода .

Приложения

Транспортные средства

Литий-воздушные элементы представляют интерес для электромобилей из-за их высокой теоретической удельной и объемной плотности энергии, сопоставимой с бензиновыми . Электродвигатели обеспечивают высокий КПД (95% по сравнению с 35% для двигателя внутреннего сгорания ). Литий-воздушные элементы могут обеспечить дальность действия, эквивалентную сегодняшним автомобилям с аккумуляторной батареей, размер которой составляет одну треть стандартного топливного бака, при условии, что остальная часть оборудования, необходимая для обслуживания батареи, имеет незначительную массу или объем.

Бэкап сети

В 2014 году исследователи анонсировали гибридную солнечную батарею. До 20% энергии, производимой обычными солнечными элементами, теряется, когда она направляется к батарее и заряжает ее. Гибрид хранит почти 100% произведенной энергии. В одной из версий гибрида использовалась калиево-ионная батарея, работающая на калий-воздушной батарее . Он обладал более высокой плотностью энергии, чем обычные литий-ионные батареи, стоил меньше и позволял избежать токсичных побочных продуктов. Последний прибор по существу заменил калий литием.

В солнечном элементе использовалась сетка, сделанная из микроскопических стержней из диоксида титана, чтобы пропустить необходимый кислород. Захваченный солнечный свет производил электроны, которые разлагали пероксид лития на ионы лития, тем самым заряжая аккумулятор. Во время разряда кислород из воздуха пополнял перекись лития.

Источник