AMaLiS 2.0: нова концепція літій-повітряних акумуляторів

Так звані літій-повітряні батареї, також відомі як літій-кисневі батареї, є кандидатами на наступне покоління накопичувачів електроенергії з високою енергією. Дослідницький проєкт AMaLiS 2.0 випробовує нову концепцію збільшення стабільності та терміну служби акумуляторних елементів. Команда проєкту зосереджується на розділенні позитивних і негативних електродів за допомогою мембрани, покритої з обох сторін. Це означає, що з обох сторін можна використовувати різні електроліти. Крім того, дослідники хочуть випробувати новий газодифузійний електрод з наноструктурованого карбіду титану.

Літій-повітряні батареї, також відомі як літій-кисневі батареї, є кандидатами на наступне покоління накопичувачів електроенергії з високою енергією. Їх теоретична ємність накопичення енергії в десять разів більша, ніж у звичайних літій-іонних акумуляторів тієї ж ваги, але вони ще недостатньо хімічно стабільні, щоб забезпечити надійне рішення. Зараз нещодавно розпочатий спільний дослідницький проєкт, у якому бере участь команда з Університету Ольденбурга під керівництвом професора-хіміка доктора Гюнтера Віттстока, тестує нову концепцію продовження терміну служби цих акумуляторних елементів.

Проєкт під назвою «Альтернативні матеріали та компоненти для апротонних літій-кисневих батарей: хімія та стабільність неактивних компонентів – AMaLiS 2.0» очолює IOLITEC Ionic Liquids Technologies, компанія, розташована в Хайльбронні, Німеччина. Дослідницький центр акумуляторних батарей MEET (Мюнстерська електрохімічна енергетична технологія) при Університеті Мюнстера та Інститут виробничих технологій і передових матеріалів Фраунгофера IFAM у Бремені також беруть участь. Протягом трьох років проєкт отримає близько 1,1 мільйона євро від Федерального міністерства освіти та досліджень.

Літій-повітряні батареї в основному працюють, так само як і звичайні типи батарей, але в цьому типі батареї реакція іонів літію з киснем повітря на позитивному електроді використовується для генерування електроенергії. Великою перевагою є те, що літій-повітряні батареї можуть зберігати майже стільки ж енергії на кілограм, скільки викопне паливо. Це означає, що вони мають таку ж питому енергію, як і сучасні акумулятори, але важать набагато менше, що робить їх привабливими для використання в електромобілях, а також у стаціонарних накопичувачах енергії. «Однак, перш ніж ми зайдемо так далеко, ще потрібно вирішити низку технічних проблем», — підкреслює Віттсток. Однією з цих проблем є відсутність електроліту, хімічно стабільного як на позитивному, так і на негативному електроді. Ці провідні рідини або тверді речовини розташовані в області між двома електродами.

У літій-повітряних батареях один з електродів виготовлено з металевого літію, а інший, який називається газодифузійним електродом, складається з пористої мережі та провідного матеріалу, де кисень (O2) із повітря відновлюється в результаті окислювально-відновної реакції. . Коли акумулятор розряджається, позитивно заряджені іони літію рухаються через електроліт від одного електрода до газодифузійного електрода, де вони поєднуються з киснем і електронами із зовнішнього електричного кола, утворюючи оксид літію. Це генерує електричний струм, який можна використовувати для забезпечення енергією електричних пристроїв. Під час заряджання літій і кисень знову розділяються, і іони та електрони рухаються у протилежному напрямку.

Щоб підвищити стабільність літій-повітряної батареї, команда проєкту прагне розробити мембрану, яка відокремлює позитивний електрод від негативного електрода, таким чином дозволяючи використовувати різні електроліти з обох сторін. «Це значно розширить вибір електролітів», — каже координатор проєкту IOLITEC доктор Томас Шуберт. Вчені планують випробувати сепаратор зі спеціальним покриттям з кожного боку, яке захищає як літієвий електрод, так і газодифузійний електрод.

Ольденбурзька команда під керівництвом Віттстока використовує різні методи, включаючи поверхневу спектроскопію та скануючу електрохімічну мікроскопію (SECM), щоб досліджувати процеси на поверхнях сепаратора та електродів. IOLITEC розробляє розділовий шар разом з командою дослідницького центру MEET Battery в Університеті Мюнстера, яку очолює Верена Кюперс. «Ми випробовуємо різні покриття, які спеціально адаптовані до завдань, пов’язаних з кожним типом електрода», — пояснює Кюперс.