Когда Tesla Motors объявила о своих планах купить производителя солнечных батарей SolarCity, нитью, которая связала вместе эти две компании, стала аккумуляторная батарея. По словам исполнительного директора Элона Маска, основной идеей стало сочетание солнечных панелей со стационарными аккумуляторными батареями PowerWall от Tesla. В пасмурные дни или в вечернее время запасенная в аккумуляторной батареи энергия способна питать бытовых потребителей электрической энергии.
Для батарей внутри своих электромобилей и систем PowerWall, Tesla делает ставку на обычные литий-ионные батареи, используемые в смартфонах или ноутбуках. Хотя другие компании считают что есть варианты и лучше. Многие экспериментируют с новыми литий-воздушными батареями, которые легче, меньше и более энергоэффективны, чем их предшественники.
Несколько недель назад ученые из Массачусетского технологического института, Аргоннской национальной лаборатории и Пекинского университета в Китае показали многообещающую новую версию литий-воздушных батарей. Ученые заявили, что благодаря новому подходу к построению литий-воздушных батарей они способны хранить в пять раз больше энергии, что может привести к полной замене их предшественников – литий-ионных батарей.
Новый проект использует электроды кислорода для преодоления многих недостатков литий-воздушных батарей. Они теряют значительно меньше энергии в виде тепла, чем их предшественники. В результате она имеет более длительный заряд и большую энергоэффективность, что делает ее практически идеальной для применения в электромобилях и в системах альтернативной энергетики.
«Это означает, что зарядка будет проходить быстрее, так как не требуется усиленного отвода тепла от аккумуляторов, а также повышается безопасность и энергоэффективность» — сказал Ю. Ли, профессор MIT по ядерной науке и технике, а также автор исследования.
Новое устройство было подробно описано в журнале Nature Energy и является последней разработкой, которая сможет составить серьезную конкуренцию литий-ионным аккумуляторам. Ученые из IBM и PolyPlus делают ставку на литий-воздушные аккумуляторы, в то время как другие компании работают над цинк-воздушными и натрий-воздушными батареями.
Основным сдерживающим фактором развития литий-воздушных аккумуляторов была сложность их химического устройства. До сих пор, в процессе работы литий-воздушного аккумулятора не происходил обмен воздухом с окружающей средой. Кислород выделялся в атмосферу только в процессе зарядки. Химическая реакция создавала другие молекулы, известные как пероксид лития, который медленно засоряет электроды аккумуляторной батареи. И это порождает целый ряд проблем. По словам Ли, твердые частицы, образующиеся в результате реакции молекул вызывают более быстрый износ батареи, по сравнению с литий-ионной, которая полностью ограждена от влияния воздуха. При износе аккумулятора он накапливает все меньше энергии.
Также они склонны к потере энергии в виде тепла. При выходном напряжении всего на 1,2 В ниже, чем напряжение необходимое для зарядки, батарея может терять около 30% электроэнергии на тепло. Из-за этого аккумулятор может «сгореть» в прямом смысле этого слова. Также стоит отметить, что перезарядка может привести к структурным повреждениям или взрывной реакции, называемой тепловым пробоем.
Новое устройство решает эту проблему путем герметизации аккумулятора от внешней среды. Внутри протекают те же электрохимические процессы, что и ранее, но они не используют газообразный кислород. Кислород остается внутри аккумулятора и «перекочёвывает» между тремя твердыми химическими соединениями: Li2O, Li2O2, и LiO2. Это предотвращает формирование частиц, способствующих разрушению аккумулятора.
Новый вид аккумуляторов появился после долгих исследований в области литий-воздушной химии. Ранее в этом году двое ученых помогли создать супероксид лития LiO2. Данное соединение может быть разложено значительно легче, чем пероксид лития, что делает его значительно более эффективным.
Новые аккумуляторы резко сокращают потери напряжения. Это значит, что только 8% электрического заряда будет утеряно в виде тепла. Также устройство может само сохранять себя от перезарядки– путем переключения между различными соединениями лития. Ученые перезаряжали аккумулятор 100 раз в течении 15 дней без каких-либо повреждений. Они также обнаружили, что через 120 циклов заряда-разряда мощность сократилась всего на 2%.
Новые литий-воздушные аккумуляторы вполне способны обойтись без обмена кислородом с внешней средой. Благодаря этому они могут быть легко адаптированы в современный электромобильный транспорт или станции хранения электрической энергии альтернативной энергетики.
