Ученые факультета наук о материалах и химического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова совместно с коллегами из Массачусетского технологического института предложили способ усовершенствования литий-воздушных аккумуляторов, которые по своим показателям во много раз превосходят литий-ионные аккумуляторы. Результаты исследований представлены в статье, опубликованной в журнале The Journal of Physical Chemistry C.

Работа посвящена исследованию процессов электрохимического восстановления кислорода в литий-воздушном аккумуляторе. Механизм его работы заключается в следующем: при разряде аккумулятора отрицательный электрод, представляющий собой литиевую фольгу, растворяется, и образующиеся ионы лития мигрируют через слой электролита к положительному электроду. Положительный электрод — это пористая углеродная губка, пропитанная электролитом. Кислород воздуха, поступающий в ячейку снаружи, растворяется в электролите, и его молекулы достигают углеродного положительного электрода. Именно на границе углерода и электролита и 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.

В литий-ионном аккумуляторе металлического лития нет: и в отрицательном, и в положительном электроде литий находится в форме ионов (отсюда и название). Удельная энергия литий-ионного аккумулятора, достигнутая сегодня, составляет 220–240 Вт*ч/кг (в расчете на массу ячеек с учетом массы корпуса). Более половины массы ячейки составляют активные материалы, в которые внедряется литий. Все остальное — это электролит, токосъемники, корпус и различные добавки. В литий-воздушном аккумуляторе активных материалов для внедрения лития не требуется, и масса аккумулятора получается меньше. Поэтому энергозапас на единицу массы у таких аккумуляторов должен быть выше.

На данный момент литий-воздушный аккумулятор невозможно перезарядить более чем несколько раз. После нескольких циклов перезаряда аккумулятора углеродный положительный электрод, на котором происходит реакция кислорода с литием, перестает проводить электрический ток. Это происходит из-за образующихся супероксид-анионов. Эти частицы настолько активны, что провоцируют реакции окисления электролита и углеродного электрода. При этом материалы «портятся», а электролит расходуется на эти побочные процессы.

Ранее ученые из МГУ имени М.В. Ломоносова в соавторстве с американскими коллегами обнаружили, что восстановление кислорода может протекать по-разному в зависимости от свойств используемого электролита. Теперь они показали, что механизм реакции может быть различным и в зависимости от степени дефектности углеродного материала, из которого изготавливают электроды. В своей работе ученые сравнили, как протекает процесс на разных модельных графитовых электродах. Ранее в других своих работах исследователи предположили, что атака на углеродные материалы супероксид-анионов начинается в местах, где в углероде есть дефекты. В данной работе ученые подтвердили эту гипотезу в реально используемых электролитах.

«Глобально результат неутешительный, так как совсем бездефектным материал быть не может. Это означает, что нужно искать пути, как сместить зону, где протекает реакция подальше от углеродного материала. Над этим мы сейчас активно думаем», — рассказал один из авторов исследования, старший научный сотрудник кафедры неорганической химии химического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова Даниил Иткис.