Дихаючі батареї можуть накопичувати енергію в 10 разів

дихаючі

(Зображення: Пітер Брюс/EPSRC)

Літій-іонні акумулятори, що використовуються в ноутбуках та мобільних телефонах, і призначені для майбутнього використання в електромобілях, наближаються до своїх технологічних меж. Але хіміки у Великобританії кажуть, що є спосіб прорватися через насувається енергетичний бар'єр - нехай батареї "дихають" киснем із повітря.

Стандартна літій-іонна батарея містить негативний електрод графіту, позитивний електрод оксиду кобальту літію та електроліт, що містить соль літію. Іони літію переміщаються між двома електродами під час зарядки та розрядки, направляючи електрони навколо зовнішнього кола для живлення гаджета в процесі.

Проблема цієї конструкції, каже Пітер Брюс з Університету Сент-Ендрюса, полягає в тому, що оксид кобальту літію є громіздким і важким. "Основним бар'єром для збільшення щільності енергії цих батарей є позитивний електрод", - говорить він. "Кожен хоче знайти спосіб збільшити кількість літію, що там зберігається, що підвищило б потужність".

Реклама

Подих свіжого повітря

Відповідь, на його думку, полягає у запозиченні ідеї у цинково-повітряних батарей, що використовуються в слухових апаратах, які отримують свою силу, реагуючи на цинк з киснем із повітря. Отже, працюючи з колегами з університетів Стратклайда та Ньюкасла, Брюс розпочав проектування літієво-повітряної батареї.

Нова батарея має вищу щільність енергії, ніж існуючі літій-іонні батареї, оскільки вона більше не містить щільного оксиду літію кобальту. Натомість позитивний електрод виготовлений з легкого пористого вуглецю, а іони літію упаковані в електроліт, який заливається в губчастий матеріал.

Коли акумулятор розряджається, кисень із повітря також надходить через мембрану (див. Зображення, зверху) у пористий вуглець, де він реагує з іонами літію в електроліті та електронами із зовнішнього контуру, утворюючи твердий оксид літію.

Оборотний процес

Твердий оксид літію поступово заповнює порові простори всередині вуглецевого електрода, коли акумулятор розряджається. Але коли акумулятор перезаряджається, оксид літію знову розкладається, знову виділяючи іони літію і звільняючи пори в вуглеці. Кисень вивільняється назад в атмосферу.

У більшості акумуляторів з самого початку вбудовані всі необхідні хімічні речовини. "Використовуючи натомість кисень із навколишнього середовища, ви економите вагу та об’єм, оскільки вам не потрібно носити реагенти всередині батареї - вам просто потрібна вуглецева ліска", - говорить Брюс.

Новий дизайн схожий на гібрид акумуляторно-паливних елементів, говорить Брюс. Як і паливний елемент, він використовує реактиви поза системою, тоді як, як акумулятор, він також має внутрішні реактиви.

Посилення потужності

Прототип пристрою команди має співвідношення ємності до ваги 4000 міліампер годин на грам - у вісім разів більше, ніж у акумулятора мобільного телефону. Можливо навіть покращення в 10 разів, але налаштування звичайних літій-іонних конструкцій, ймовірно, забезпечить лише подвоєння потужності, підрахував Брюс.

Хімік Сайфул Іслам досліджує батареї в Університеті Бата і не брав участі в новому дизайні. "Я розумію, що літієво-повітряна батарея насправді може забезпечити збільшення щільності енергії у вісім до 10 разів", - сказав він. Новий вчений.

Однак досі потрібна робота, щоб повністю зрозуміти процеси, що відбуваються в новій батареї, додає він. Це має допомогти оптимізувати технологію, щоб вона могла стати комерційно вигідним продуктом.

Зараз Брюс та його колеги працюють над тим, щоб перетворити свою доказову версію в невелику працюючу батарею, подібну тій, що використовується в мобільних електронних пристроях. "Але технологія може бути настільки ж важливою для електричних та гібридних автомобілів у майбутньому", - зазначає Брюс.