Ученые факультета наук о материалах и химического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова работают над усовершенствованием литий-воздушных аккумуляторов, которые во много раз превышают ключевые показатели литий-ионных аккумуляторов. Результаты исследований представлены в статье, недавно опубликованной в журнале The Journal of Physical Chemistry C.

Перед учеными и производителями все время возникает задача создания новых типов аккумуляторов: более легких, но в то же время более мощных и энергоемких. Поэтому современные литий-ионные аккумуляторы смогут быть вытеснены так называемыми литий-воздушными аккумуляторами. Такие аккумуляторы смогут запасать в пять раз больше энергии по сравнению с обычными литий-ионными. Одна из областей, где они могут произвести революцию, — электромобили, которые сейчас питаются от литий-ионных аккумуляторов.

Работа ученых МГУ имени М.В.Ломоносова посвящена исследованию процессов электрохимического восстановления кислорода в литий-воздушном аккумуляторе. Механизм работы литий-воздушного аккумулятора 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.

А 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.