Литий-кислородные аккумуляторы теоретически могут хранить в десять раз больше энергии, чем современные литий-ионные. Это открывает путь к электромобилям с запасом хода на тысячи километров и дронам, которые могут летать весь день без подзарядки. Однако до сих пор такие батареи оставались лабораторной мечтой: реакции с кислородом идут слишком медленно и тратят слишком много энергии. Учёные из японского Института технологий Шибаура нашли способ решить эту проблему без дорогих металлов вроде платины.
Во время зарядки и разрядки литий-кислородных батарей кислород должен быстро реагировать на электроде. Без эффективного катализатора процесс тормозит, растёт разница напряжений между зарядом и разрядом, и значительная часть энергии просто теряется. Классические катализаторы на основе платины и рутения работают хорошо, но стоят слишком дорого для массового производства.
Команда профессора Такахиро Исидзаки (Takahiro Ishizaki) предложила другой путь. Они создали композитный катализатор из двух оксидов металлов — перовскита и шпинели. По отдельности эти материалы уже известны как неплохие катализаторы, но вместе они дали синергетический эффект.
Как работает новый материал
Композит ускоряет сразу обе ключевые реакции — восстановления и выделения кислорода. Разница потенциалов между зарядом и разрядом составила всего 1,14 В — один из самых низких показателей на сегодняшний день. Чем меньше этот разрыв, тем меньше энергии уходит впустую.
Интересно, что у композита оказалась самая маленькая электрохимическая поверхность среди всех протестированных образцов. Раньше считалось, что чем больше площадь, тем лучше. Японские исследователи показали: важнее качество электронной структуры. На границе двух оксидов образуется множество кислородных вакансий, которые создают удобный путь для реакций кислорода.
В тестах композит превзошёл коммерческий оксид рутения при зарядке и сравнялся с платиной при разрядке.
Что это даёт на практике
«Главное и самое близкое применение — высокоэффективные воздушные катоды для литий-кислородных батарей следующего поколения. Они смогут обеспечить электромобили с очень большим запасом хода и дроны с многочасовой автономностью, которые недостижимы для нынешних литий-ионных технологий», — отметил профессор Исидзаки.
Кроме транспорта, такой недорогой катализатор может пригодиться в производстве «зелёного» водорода, крупных металловоздушных батареях и системах хранения энергии от солнца и ветра.
Пока разработка находится на лабораторной стадии, но она убирает один из главных барьеров на пути литий-кислородных аккумуляторов — зависимость от дорогих благородных металлов. Если технологию удастся масштабировать, электромобили с пробегом «через всю страну» и дроны, способные работать весь день, могут стать заметно ближе к реальности.
