Пробив в съхранението на енергия: Учените откриха начин да повишат ефективността на литиево-кислородните батерии

Изследователите от Технологичния институт „Сибаура“ в Япония разработиха евтин катализатор без използване на платина, който може да ускори развитието на литиево-кислородните батерии, значително превъзхождащи литиево-йонните елементи по енергийна плътност. Новата технология решава един от основните проблеми на тези батерии — бавните реакции с кислорода по време на зареждане и разреждане, поради които устройствата губят много енергия. В бъдеще тази разработка може да помогне за създаването на електромобили с по-голям пробег и дронове с удължено време на полет.

Литиево-кислородните батерии се считат за едно от перспективните направления в развитието на енергийните акумулатори, тъй като тяхната енергийна плътност е десет пъти по-висока от тази на традиционните литиево-йонни батерии. Тази технология потенциално ще позволи на електромобилите да изминават много по-големи разстояния без презареждане, а на дроновете – да остават по-дълго във въздуха. Досега обаче търговското приложение на такива батерии беше ограничено от ниската ефективност на химичните процеси в тях.

Основният проблем се крие в бавните кислородни реакции на катода на батерията. Това увеличава загубите на енергия и съкращава експлоатационния срок на батерията. За ускоряване на процесите се използват катализатори на базата на благородни метали — платина или рутений, но високата им цена прави такива решения нерентабилни за масово производство.

Новият каталитичен механизъм и стабилността на електродите

Екипът разработи алтернативен катализатор на базата на два евтини оксида — перовскит и шпинел. Поотделно тези съединения вече притежават каталитични свойства, но тяхното съчетание дава синергичен ефект. Композитният материал ускорява едновременно два важни процеса — възстановяването на кислорода при разрежданетождане и отделянето на кислород при зареждане.

Новият катализатор показва висока ефективност при лабораторните тестове. Той осигурява разлика между напрежението при зареждане и разреждане от едва 1,14 V — един от най-добрите показатели за подобни системи. Колкото по-малък е този показател, толкова по-малко енергия се губи при работата на акумулатора. Освен това композитът надмина търговския рутениев оксид по време на зареждането и демонстрира ефективност на нивото на платиновия катализатор при разряд.

Изследователите установиха, че ефективността на новия катализатор не се дължи на голямата повърхност. Напротив, композитът има най-малката електрохимична повърхност сред тестваните образци. Ключова роля е изиграла неговата електронна структура — съединението на двата оксида е създало кислородни празнини на границата между материалите, които улесняват преноса на електрони и ускоряват реакциите с кислорода.

Новата технология може да стане основа за създаването на по-достъпни литиево-кислородни батерии от следващо поколение. В перспектива подобни системи могат да се прилагат не само в електромобилите и безпилотните летателни апарати, но и в големите системи за съхранение на енергия за слънчевата и вятърната енергетика. При това изследователите все пак трябва да проверят дълготрайността на технологията и да я подготвят за практическо приложение.