Cовременную жизнь уже практически невозможно представить без источников энергии, работающих на основе лития. И если литий-ионные источники тока уже прочно обосновались во многих портативных устройствах, то до масштабного промышленного производства литий-воздушных аккумуляторов остаются еще многие годы. А в это время в научных лабораториях по всему миру каждый день рождаются новые гениальные (и не очень) идеи повышения плотности запасаемой энергии.

Японские учёные, работающие на одного из автомобильных гигантов – корпорацию Toyota, обнаружили уникальный факт. Для начала авторы собрали стандартную модель литий-воздушной ячейки: анод – металлический литий, катод – полимер с нанесённым углеродом, между ними полимерный электролит. Только вместо воздуха или чистого кислорода, которые выступают в качестве газа-носителя, реагирующего с ионами Li+ на катоде большинства литий-воздушных батарей, была использована смесь последнего с диоксидом углерода (рис. 1).

Рис. 1. Принципиальная схема ни чем не отличается от стандартных литий – воздушных батареек.

Как оказалось, ёмкость «батарейки» значительно зависит от содержания углекислого газа в смеси (рис. 2). Уже 10% CO₂ по объёму приводит к увеличению ёмкости аккумулятором в два раза по сравнению со стандартным кислородным, а при 30% CO₂ – в три раза. Максимальная ёмкость, достигнутая в работе, составляет 5860 мАч/г при эквимолярном соотношении компонентов в смеси.

Рис. 2. Кривые разрядки при различном соотношении кислорода и углекислого газа в рабочей смеси (плотность тока 0,2 мА/см²).

Данное уникальное явление японские учёные объясняют практически полным заполнением полостей катода продуктами разрядки. Ведь хорошо известно, что полностью заполнить объём катода в случае литий-воздушных батареек не удаётся даже при низких скоростях разрядки. А это ведёт к значительному снижению удельной ёмкости устройства. В случае добавления в газовую смесь 50% диоксида углерода после полуцикла разрядки все полости полимерного катода оказываются заполнены, что было показано с помощью метода электронной микроскопии (рис. 3).

Рис. 3. Данные растровой электронной микроскопии материала катода до (а) и после (b) разрядки (50% углекислого газа, плотность тока 0,1 мА/см²).

По данным ИК-спектров осадок на катоде представляет собой преимущественно карбонат лития. По мнению японских учёных столь высокий процент заполнения (а следовательно и высокая удельная ёмкость) объясняется кинетическими затруднениями реакции образования осадка Li₂CO₃ на катоде.

К сожалению, предлагаемое устройство пригодно для использования лишь в качестве первичных источников тока из-за трудностей, связанных с медленных растворением карбоната лития при зарядке. Однако высокая удельная ёмкость и возможность использования в качестве «топлива» продуктов сгорания органического сырья делают использование предлагаемого устройства достаточно перспективным.

Результаты исследований опубликованы в статье:

Kensuke Takechi, Tohru Shiga and Takahiko Asaoka A Li–O2/CO2 battery. – Chem. Commun. – 2011; DOI: 10.1039/C0CC05176D.