Металло-воздушные батареи: принципы, достижения и перспективы
Глава 01 Металло-воздушные батареи: введение
Фелипе М. де Соуза, Анудж Кумар, Рам К. Гупта
Глава 02 Материалы и электрохимия металловоздушной батареи
Анубха Томар, Сакши Чандел, Алок Кумар Рай
Глава 03 Электрохимические основы и вопросы металловоздушных аккумуляторов
Шаша Лия, Энзе Либ, Сяовэй Ан, Гоцин Гуанц
Глава 04 Математическое моделирование улучшенных электрохимических свойств
Юхуэй Тянь, Шаньцин Чжан, Юнь Ван
Глава 05 Материалы и технологии Mg-Air первичных батарей
Синруй Чен, Цичи Ле, Джеффри Венесуэла, Андрей Атренс
Глава 06 Материалы и технологии алюминиевых батарей
Венг Чеонг Тан, Лип Хуат Пила, Мин Чиан Ю, Мин Кун Ю
Глава 07 Материалы и технологии прочих металловоздушных батарей
Дхавалкумар Н.
Глава 08 Новые архитектурные решения для повышения производительности
Хосе Бехар, Минерва Герра-Балькасар, Лорена Альварес-Контрерас, Ноэ Архона
Глава 09 Фазоинженерные материалы как эффективные электрокатализаторы для металловоздушных батарей
Мэнъян Донг, Хуацзе Инь, Порунь Лю, Хуэйцзюнь Чжао
Глава 10 Электрокатализаторы на основе благородных металлов для металло-воздушных батарей
Джун Мэй
Глава 11 Одномерные материалы в качестве электрокатализаторов для металловоздушных батарей
Мерве Генчтюрк, Эмре Бичер
Глава 12 2D-материалы в качестве электрокатализаторов для металло-воздушных аккумуляторов
Эрен Курсун, Абдулла Уйсал, Солен Кинайигит
Глава 13 Трехмерные материалы в качестве электрокатализаторов для металловоздушных аккумуляторов
Демет Озер
Глава 14 Электрокатализаторы на основе углерода для металловоздушных батарей
Цзунге Ли, Гуоксин Чжан
Глава 15 Электрокатализаторы на основе оксидов металлов для металло-воздушных батарей
Бхугендра Чутия, Чиранджита Госвами, Панкадж Бхарали
Глава 16 Улучшенные характеристики литий-воздушных батарей за счет улучшенных катодных материалов
Б.
Дживанантам, М. К. Шобана
Глава 17 Водные электролиты
Риджит С., Сарика С., Ахила М., Суми В.С.
Глава 18 Неводные электролиты в металловоздушных батареях
Правин Н. Дидвал, Ан-Джианг Нгуен, Сатьянараяна Маддукури, Ракеш Верма
Глава 19 Ионные электролиты
Вандана, Фабина Джахан, Анджали Параваннор, Байджу Кижаккекиликодаил Виджаян
Глава 20 Гибридно-электролитные металло-воздушные батареи
Ифей Ван, Синьхай Сюй, Минминг Чжан, Мэн Ни, Деннис Ю.К. Люн
Глава 21 Полимерные электролиты
Чанлинь Лю, Шаша Ли, Абулити Абудула, Гоцин Гуань
Глава 22 Гидрогелевые электролиты
Сиюань Чжао, Тонг Лю, Мэн Ни
Глава 23 Носимые металло-воздушные батареи
Арпана Агравал, Чаудери Мустансар Хуссейн
Глава 24 Гибкие металло-воздушные батареи
Рунвэй Мо
Глава 25 Проблемы металло-воздушных аккумуляторов
Александр Кубе, Деннис Копляр
Упорная работа с литий-воздушными батареями продолжается
Для владельцев электромобилей тревога по поводу дальности пробега — боязнь разрядиться до следующей зарядной станции — реальна.
Одним из вариантов является литий-воздушный, и группа исследователей изобрела новый тип катода, который, как они утверждают, может продлить срок службы таких батарей. В исследовании, опубликованном в Applied Catalysis B: Environmental , команда из Южной Кореи и Таиланда описывает, как они наносили нанохлопья сульфида никеля-кобальта на графеновый катод, легированный серой. Результат: электрод с улучшенной электропроводностью и каталитической активностью.
«Это очень интересный подход к проектированию», — говорит Гарри Хостер, директор Energy Lancaster, британского исследовательского института, занимающегося энергетическими технологиями.
Батареи обычно вырабатывают электроэнергию в результате окислительно-восстановительной реакции. В случае литий-воздушных батарей литий на аноде окисляется, а молекулы кислорода восстанавливаются на катоде.
Полученный продукт представляет собой пероксид лития (Li 2 O 2 ).
Предполагается, что на катоде происходит волшебство. Поскольку кислород может непрерывно поставляться из воздуха, а не храниться в ограниченном количестве внутри элемента, литий-воздушные батареи теоретически могут обеспечивать плотность энергии в 10 раз больше, чем их литий-ионные собратья. И чем больше перекиси лития скапливается на графитовом катоде, тем выше зарядная емкость аккумулятора.
Модификация углеродного катода серой облегчает прилипание к нему перекиси лития, говорит Хостер. «Атомы серы обеспечивают локальные клеевые точки, точки крепления для вещей, к которым можно прилипнуть», — говорит он.
Сера также обеспечивает дополнительные преимущества для батареи, говорит химик-физик Сангараджу Шанмугам из Корейского института науки и технологий Тэгу Кёнбук и один из соавторов статьи. Поскольку атомы серы намного больше по размеру по сравнению с их углеродными аналогами, легирование серой катода расширяет структуру пористой углеродной решетки, увеличивая площадь ее поверхности.
«Когда это происходит, электроны могут лучше двигаться внутри графена, и, таким образом, улучшается электропроводность», — говорит Шанмугам.
Покрытие поверхности катода наночешуйками сульфида никеля и кобальта обеспечивает дополнительный импульс за счет повышения каталитической активности. «Сера взаимодействует с металлическими участками в сульфиде никеля-кобальта, и существует сильное синергетическое взаимодействие между поверхностью графена и наночешуйками», — объясняет Шанмугам.
Чешуйки также образуют защитный слой между поверхностью катода и образующимся продуктом разряда пероксида лития, который обладает высокой коррозионной активностью. Результатом является значительно улучшенная циклируемость батареи — чуть более 1700 часов или более двух месяцев — что, по словам Шанмугама, является «одной из самых сильных сторон» их изобретения. Удельная разрядная емкость также является «сверхвысокой» и составляет почти 14 200 миллиампер-час на грамм (мАч/г). В Корее ожидается получение патента на новую технологию.
«Материалы, которые они предложили, очень, очень интересны… и похоже, что они первыми представили их сообществу», — говорит Хостер из Lancaster. Но он с осторожностью относится к оптимистичным результатам.
Систему нужно протестировать более надежно, говорит он. Чтобы правильно измерить электрокаталитическую активность, исследователи должны были сделать циклическую вольтамперограмму (тип теста, при котором внешнее напряжение подается и изменяется, чтобы увидеть, как соответственно изменяется ток батареи) на высоких, а не на низких скоростях. Кроме того, проведенный ими эксперимент по разрядке слишком неглубокий (остановка при удельной емкости 1000 мА·ч/г), чтобы его можно было считать полноценным стресс-тестом, потому что «вы не производите много побочных продуктов, из-за которых батарея выходит из строя в процессе эксплуатации». в долгосрочной перспективе», — говорит Хостер.
Он также подчеркивает низкую эффективность зарядки батареи, которая является мерой того, сколько энергии вы получаете по сравнению с энергией, которую вы тратите на ее зарядку.
Анод из чистого лития также представляет собой проблему. Обладая высокой реакционной способностью, литий может воспламеняться при контакте с водой и другими элементами. Затем возникает проблема с самим воздухом. В то время как подача кислорода к батареям отлично работает в лаборатории, это невозможно для электромобилей, движущихся по дорогам. Целью является использование воздуха, но сначала вам нужно будет удалить повреждающие аккумулятор примеси, такие как углекислый газ и водяной пар.