Литий-воздушные батареи могут стать следующей революционной заменой для используемых в настоящее время литий-ионных батарей, предназначенных для питания электромобилей, сотовых телефонов и компьютеров.


Литий-воздушные батареи, которые в настоящее время находятся на экспериментальной стадии разработки, могут хранить в 10 раз больше энергии, чем литий-ионные батареи, и они намного легче. Тем не менее, литиево-воздушные батареи могут быть еще более эффективными и обеспечивать больший заряд при использовании усовершенствованных катализаторов, изготовленных из двумерных материалов. Катализаторы помогают увеличить скорость химических реакций внутри батарей, и в зависимости от типа материала, из которого сделан катализатор, они могут значительно повысить способность батареи удерживать и обеспечивать энергию.

«Нам понадобятся батареи с очень высокой плотностью энергии для питания новых передовых технологий, которые используются в телефонах, ноутбуках и особенно в электромобилях», — сказал Амин Салехи-Ходжин, доцент кафедры промышленного машиностроения в Техническом колледже UIC’s College of Engineering.




Салехи Ходжин и его коллеги синтезировали несколько 2D материалов, которые могут служить катализаторами. Ряд их 2D материалов, когда они были включены в экспериментальные литиево-воздушные батареи в качестве катализатора, позволили аккумулятору сохранять до 10 раз больше энергии, чем литиево-воздушные батареи, содержащие традиционные катализаторы. Их выводы опубликованы в журнале Advanced Materials .

«В настоящее время электромобили могут проехать среднем около 160 км на одном заряде, но с включением 2D-катализаторов в литиево-воздушные аккумуляторы мы могли бы обеспечить 600–700 км на одном заряде, что было бы настоящим переломным моментом», — сказал Салехи. Ходжин, который также является соответствующим автором статьи. «Это был бы огромный прорыв в хранении энергии».

Салехи-Ходжин и его коллеги синтезировали 15 различных типов 2D дихалькогенидов переходных металлов или TMDC. TMDC являются уникальными соединениями, потому что они имеют высокую электронную проводимость и быстрый перенос электронов, которые могут использоваться для участия в реакциях с другими материалами, таких реакции, которые происходят внутри батарей во время зарядки и разрядки.

«В своей 2D-форме эти TMDC обладают гораздо лучшими электронными свойствами и большей реактивной поверхностью для участия в электрохимических реакциях внутри батареи, в то время как их структура остается стабильной», — пояснила Лейли Маджиди, аспирант инженерного колледжа UIC и ведущий автор.

«Скорость реакции с этими материалами намного выше по сравнению с традиционными катализаторами, такими как золото или платина», — сказал Маджиди.

Одна из причин, по которой 2D-TDMC показали себя так хорошо, заключается в том, что они помогают ускорить как зарядку, так и разрядку реакций, происходящих в литий-воздушных батареях.

«Это то, что известно как бифункциональность катализатора», — сказал Салехи Ходжин.

«2D TDMC и ионный жидкий электролит, которые мы использовали, действуют как сокатализаторная система, которая помогает электронам быстрее переноситься, приводя к более быстрым зарядкам и более эффективному хранению и разряду энергии».

Hyundai разработал автомобиль, который может ходить на четырех ногах ((видео)

«Эти новые материалы представляют собой новый путь, который может вывести батареи на новый уровень, нам просто нужно разработать способы производства и настройки их более эффективно и в больших масштабах», — сказал Салехи Ходжин.

Исследование было частично поддержано Национальным научным фондом DMREF Grant 1729420.

Справка
Литий-кислородные аккумуляторы запасают в 10 раз больше энергии, чем литий-ионные аналоги, но при этом весят значительно меньше. Однако впечатляющие характеристики батарей фиксируют лишь в лабораториях. На рынке технология так и не прижилась из-за недолговечности — литий-воздушные батареи выходят из строя буквально после нескольких циклов подзарядки.