Физики из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории и Принстонского университета (США) испытали перспективные графеновые электроды для литий-воздушных батарей.
Обычные
батареи такого типа оснащены углеродным катодом, в порах которого
запасается атмосферный кислород, играющий роль активного материала. При
разряде катионы лития движутся с литиевого анода через электролит и
вступают в реакцию с кислородом, образуя (в идеале) пероксид лития
Li2O2, задерживающийся на катоде, а электроны идут с анода на катод
через цепь нагрузки. Преимуществом литий-воздушных образцов перед
традиционными литий-ионными считается бóльшая достижимая плотность
энергии.
На
характеристики литий-воздушных батарей влияет множество факторов:
относительная влажность, парциальное давление кислорода, состав
электролита, выбор катализатора и общей компоновки устройства.
Необходимо также учитывать, что осаждающиеся на углеродном электроде
продукты реакций (Li2O2) блокируют пути проникновения кислорода,
ограничивая ёмкость. Воздушный электрод оптимальной конфигурации, таким
образом, должен иметь и микроразмерные поры, которые обеспечивают
свободное прохождение кислорода, и наноразмерные полости, создающие
достаточную плотность участков для реакций Li—O2.
Схема
функционализированного графенового листа с функциональными группами на
обеих его сторонах и краях и дефектами решётки, которые становятся
энергетически выгодными участками для захвата продуктов реакций (Li2O2).
Дефекты выделены жёлтым и фиолетовым, атомы углерода — серым, кислорода
— красным, водорода — белым. Справа показана идеальная пористая
структура воздушного электрода. (Здесь и далее иллюстрации из журнала
Nano Letters.)
Для
создания новых электродов использовались функционализированные
графеновые листы, полученные при термической обработке оксида графита.
Начальное соотношение C/O у оксида примерно равно двум, но выдерживание
при 1050 ˚C в течение всего 30 с позволяет увеличить его до ~15 за счёт
выделения CO2. После ухода диоксида углерода листы приобретают дефекты
решётки, которые способствуют образованию изолированных наноразмерных
частиц Li2O2, не блокирующих доступ кислорода при работе батареи.
Подготовленные
листы помещались в микроэмульсионный раствор, содержащий связующие
вещества. После высыхания электрод приобретал необычную внутреннюю
структуру, в которой выделяются неплотно упакованные яйцеобразные
элементы. Между ними были проложены широкие ходы, а «скорлупа» элементов
содержала многочисленные наноразмерные поры. Другими словами,
конструкция электрода была приближена к оптимальной.
Графеновые
электроды: сверху — только что изготовленные, снизу — после разряда.
Стрелками отмечены частицы Li2O2. Размеры проставлены в микрометрах.
В
экспериментах литий-воздушные батареи с графеновыми электродами (без
катализатора) продемонстрировали рекордно высокую ёмкость в 15 000 мА•ч в
пересчёте на грамм углерода. Такие результаты, отметим, были достигнуты
в атмосфере чистого O2; на воздухе ёмкость заметно снижается, поскольку
в работу устройства вмешивается вода. Авторы уже размышляют над
конструкцией мембраны, которая гарантирует защиту от воды, но будет
пропускать необходимый кислород.
«Мы
также хотим сделать батарею полностью перезаряжаемой, — делится планами
руководитель научной группы Цзи-Гуан Чжан (Ji-Guang Zhang). — Для этого
понадобятся новый электролит и новый катализатор, и именно они нас
сейчас и интересуют».
Разрядная кривая литий-воздушной батареи с графеновым электродом.
Источник: http://science.compulenta.ru |