В рамках исследовательского проекта AMaLiS 2.0, в котором участвуют несколько институтов, разрабатывается новая концепция повышения стабильности и срока службы литий-воздушных батарей за счет использования мембраны, разделяющей положительный и отрицательный электроды, что позволяет использовать различные электролиты на каждой стороне. Цель проекта — создание стабильного перезаряжаемого прототипа с использованием передовых материалов и мембран.
Исследовательский проект в Германии направлен на повышение стабильности этого нового типа батарей.
Так называемые литий-воздушные батареи, известные также как литий-кислородные, являются кандидатами на создание следующего поколения высокоэнергетических накопителей электроэнергии. В рамках исследовательского проекта AMaLiS 2.0 проверяется новая концепция повышения стабильности и срока службы элементов батареи. Команда проекта сосредоточилась на разделении положительного и отрицательного электродов с помощью мембраны, покрытой с обеих сторон. Это означает, что с обеих сторон можно использовать различные электролиты. Кроме того, исследователи хотят испытать новый электрод для диффузии газов, изготовленный из наноструктурированного карбида титана.
Литий-воздушные батареи, известные также как литий-кислородные, являются кандидатами на создание нового поколения высокоэнергетических накопителей электроэнергии. Их теоретическая емкость в десять раз превышает емкость традиционных литий-ионных батарей той же массы, однако они еще недостаточно химически стабильны, чтобы стать надежным решением. В рамках недавно запущенного совместного исследовательского проекта, в котором участвует группа специалистов из Университета Ольденбурга под руководством профессора-химика д-ра Гюнтера Виттштока, проверяется новая концепция, позволяющая продлить срок службы элементов этих батарей.
Проект, получивший название «Альтернативные материалы и компоненты для апротных литий-кислородных батарей: химия и стабильность неактивных компонентов — AMaLiS 2.0″, возглавляет компания IOLITEC Ionic Liquids Technologies, расположенная в г. Хайльбронн (Германия). В проекте также принимают участие Центр исследований аккумуляторов MEET (Münster Electrochemical Energy Technology) при Университете Мюнстера и Институт производственных технологий и перспективных материалов IFAM Фраунгофера в Бремене. Проект получит финансирование от Федерального министерства образования и научных исследований в размере около 1,1 млн. евро в течение трех лет.
Элемент литий-воздушной батареи перед испытательным стендом. Credit: Fraunhofer IFAM
Литий-воздушные аккумуляторы в принципе работают так же, как и обычные аккумуляторы, но в этом типе аккумуляторов для выработки электроэнергии используется реакция ионов лития с кислородом воздуха на положительном электроде. Большим преимуществом является то, что литий-воздушные батареи могут хранить почти столько же энергии на килограмм, сколько и ископаемое топливо. Это означает, что по удельной энергии они аналогичны современным аккумуляторам, но весят гораздо меньше, что делает их привлекательными для использования в электромобилях, а также в стационарных накопителях энергии. «Однако прежде чем мы продвинемся так далеко, необходимо решить ряд технических проблем», — подчеркивает Виттсток. Одной из таких проблем является отсутствие электролитов, химически стабильных как на положительном, так и на отрицательном электроде. Такие проводящие жидкости или твердые вещества находятся в области между двумя электродами.
В литий-воздушных аккумуляторах один из электродов выполнен из металлического лития, а другой — так называемый газодиффузионный электрод — состоит из пористой пористой сети и проводящего материала, на котором кислород (O2) из воздуха восстанавливается в окислительно-восстановительной реакции. При разряде батареи положительно заряженные ионы лития перемещаются по электролиту от одного электрода к газовому диффузионному электроду, где они соединяются с кислородом и электронами из внешней электрической цепи, образуя оксид лития. При этом генерируется электрический ток, который может быть использован для получения энергии для электрических устройств. Во время зарядки литий и кислород снова разделяются, и ионы и электроны движутся в обратном направлении.
Для повышения стабильности литий-воздушного аккумулятора команда проекта намерена разработать мембрану, отделяющую положительный электрод от отрицательного, что позволит использовать различные электролиты с обеих сторон. «Это значительно расширит возможности использования электролитов», — говорит координатор проекта от IOLITEC д-р Томас Шуберт. Ученые планируют испытать сепаратор со специальным покрытием на каждой стороне, которое защищает как литиевый электрод, так и электрод для диффузии газа.
Для исследования процессов на поверхности сепаратора и электродов группа Ольденбурга под руководством Виттстока использует различные методы, включая поверхностную спектроскопию и сканирующую электрохимическую микроскопию (SECM). IOLITEC разрабатывает разделительный слой совместно с группой специалистов из Исследовательского центра аккумуляторов MEET при Университете Мюнстера, возглавляемой Вереной Кюперс. «Мы проводим испытания различных покрытий, специально адаптированных к задачам, которые ставит перед нами каждый тип электродов», — поясняет Кюперс.
Группа MEET также проводит тестовые измерения. В Институте Фраунгофера IFAM группа под руководством д-ра Даниэлы Фенске разрабатывает новый тип газодиффузионного электрода из наноструктурированного карбида титана. «Он будет соединен со специальной мембраной, которая предотвращает попадание в ячейку паразитных компонентов воздуха, таких как углекислый газ или водяной пар», — поясняет Фенске. Конечной целью исследователей является создание прототипа, который докажет, что стабильная перезаряжаемая система достижима. Для этого планируется создать плоскую ячейку с площадью поверхности 25 кв. см.
Финансирование осуществляется по гранту № 03XP0521A-D в рамках программы «Batterie 2020 Transfer».
