Графен помог понять механизм работы литиевых аккумуляторов нового типа

При помощи тонкого слоя графена ученые смогут лучше понять химические процессы, которые происходят при использовании одного из перспективных типов аккумуляторов — литий-воздушных. При одинаковой массе емкость этих аккумуляторов в пять раз больше емкости наиболее распространенных литий-ионных аккумуляторов. Это позволит сделать электрохимическая ячейка, которую запатентовали химики.

Чтобы повысить эффективность работы аккумуляторов, ученые во всем мире предлагают использовать новые химические реакции, благодаря которым батареи смогут запасать больше энергии по отношению к единице массы. Одной из наиболее перспективных альтернатив самым распространенным сейчас литий-ионным аккумуляторам считаются литий-воздушные элементы.

Эти аккумуляторы вырабатывают электроэнергию буквально из воздуха: принцип их работы основан на окислении лития кислородом воздуха до пероксида лития Li₂O₂. Они легкие и могут обеспечить примерно в пять раз большую удельную энергию, чем литий-ионные аккумуляторы. Но, несмотря на преимущества, в промышленном масштабе литий-воздушные аккумуляторы пока не выпускаются. Одним из существенных недостатков инновационных аккумуляторов стало то, что уже после десяти циклов зарядки-разрядки аккумулятор перестает работать.

Чтобы определить непосредственно во время работы процессы, которые приводят к необратимым изменениям в электролите и электродах, специалисты создают модельные электрохимические ячейки. С помощью своей разработки научная группа химиков из МГУ имени Ломоносова выяснила, что к разрушению положительного электрода в литий-воздушных батареях приводит реакция углерода с очень активным и при этом короткоживущим супероксидом лития LiO₂, а не пероксидом Li₂O₂, как считалось ранее. Супероксид в ячейке «живет» всего несколько секунд, однако за это время успевает окислить поверхность углеродного электрода.

Благодаря рентгеновской фотоэлектонной спектроскопии ученые детально исследовали процессы на поверхности. Однако в обычных электрохимических ячейках электроды или слой электролита оказываются слишком толстыми и поглощают фотоэлектроны, тем самым мешая «увидеть», что происходит на поверхности раздела электрод-электролит. Ученые решили эту проблему, нанеся на твердый электролит одноатомный графеновый слой, который прозрачен для фотоэлектронов.

Разработанная ячейка позволяет исследовать процессы не только в литиевых батареях, но и в источниках тока с другими носителями заряда. Например, благодаря использованию графена, действующего в ячейке в качестве рабочего электрода, можно определить, при каких потенциалах электролиты различных источников тока перестают быть устойчивыми, и какие процессы сопровождают деградацию электролитов. Поэтому разработка поможет понять, как улучшить аккумуляторы самого разного типа.

Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.

Пресс-релизы о научных исследованиях, информацию о последних вышедших научных статьях и анонсы конференций, а также данные о выигранных грантах и премиях присылайте на адрес science@indicator.ru.