Несмотря на все усилия исследователей, плотность энергии в литийевых батареях все еще недостаточна для их практического применения в транспортных средствах, во многом из-за трудностей с подбором подходящего электролита. Продвинуться в решении существующих технологических трудностей попытался коллектив японских исследователей. Чего же удалось им добиться?

Основной новаторской идеей, реализованной авторами статьи, является не только выбор двухфазного электролита (водная и органическая фаза), разделенный слоем твердого электролита LISICON, предотвращающего смешение двух фаз, но и подходящий выбор материала электрода. В последнем случае выбор пал на графеновые нанолисты (GNS), которые до этого рассматривались исследователями исключительно как матрица для нанесения катализатора (рис.1).

Рис. 1. Структура литий-ионной батареи с GNS электродом.

Подобная «смелость» объясняется не только высокой проводимостью и развитой поверхностью графеновых нанолистов, но также их структурой, которая изобилует разного рода дефектами (углеродные вакансии, пяти- и семичленные углеродные циклы), катализирующими восстановление кислорода. Доказательством высокой каталитической активности графеновых нанолистов могут служить кривые разрядки (рис.2), расположенные в непосредственной близости от таковых для углеродного электрода с платиновым катализатором.

Рис. 2. а) Кривые разрядки для батареи с GNS электродом, углеродным электродом с платиновым катализатором и электродом из черного ацетилена. b) Зависимость емкости GNS от номера цикла. Кривые зарядки/разрядки для батареи с GNS (с) и отоженного GNS.

Но не все так радужно! После нескольких циклов зарядки/разрядки напряжение зарядки довольно существенно увеличивается, и после 50 циклов достигает 0.4 В, что авторы статьи объясняют окислением GNS в процессе зарядки. Однако отжиг GNS позволил уменьшить падение напряжения до 0.16 В, что объясняется удалением кислородосордержащих функциональных групп (С-О, С=О, О-С=О), а также увеличением доли атомов углерода, находщихся в sp2-гибридизированном состоянии, о чем можно с уверенностью судить на основании рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (рис.3). Тем не менее установление более детального механизма столь значительного уменьшения падения напряжения зарядки – цель будущих научных исследований.

Рис. 3. Рентгеновские фотоэлектронные спектры С1s (a) и O1s (b) для GNS и отоженного GNS.

Результаты исследований опубликованы в статье:

Eunjoo Yoo and Haoshen Zhou Li−Air Rechargeable Battery Based on Metal-free Graphene Nanosheet Catalysts. – ACS Nano. – Article ASAP. – DOI: 10.1021/nn200084u.