Основным новым компонентом в литий-воздушной батарее является твердый электролит вместо привычной жидкой разновидности. Аккумуляторы с твердыми электролитами не доставляют проблем с безопасностью в отличие от батарей с жидкими электролитами, используемыми в литий-ионных и других типах аккумуляторов, которые могут перегреться и загореться.
Что еще более важно, аккумуляторы с твердым электролитом потенциально могут повысить плотность энергии в четыре раза по сравнению с литий-ионными батареями.
Более десяти лет ученые в Аргонне и других местах работали, чтобы разработать литиевую батарею, которая использует кислород воздуха. Литий-воздушная батарея имеет самую высокую прогнозируемую плотность энергии среди всех аккумуляторных технологий, рассматриваемых для следующего поколения аккумуляторов помимо литий-ионных
— Ларри Кертисс, почетный научный сотрудник Аргонны.
В предыдущих литий-воздушных конструкциях литий в литий-металлическом аноде перемещался через жидкий электролит, чтобы соединиться с кислородом во время разряда, образуя пероксид лития (Li2O2) или супероксид (LiO2) на катоде. По окончании цикла перекись или супероксид лития снова расщепляется на литий и кислород во время зарядки. Эта химическая последовательность сохраняет и высвобождает энергию по требованию.
Новый твердый электролит команды состоит из керамического полимерного материала, изготовленного из относительно недорогих элементов в форме наночастиц. Новое твердое вещество позволяет проводить химические реакции, в результате которых при разряде образуется оксид лития (Li2O).
Химическая реакция для супероксида или пероксида лития включает только один или два электрона, хранящихся на молекуле кислорода, тогда как для оксида лития участвуют четыре электрона. Больше сохраненных электронов означает более высокую плотность энергии
— аргоннский химик Рашид Амин.
Литий-воздушная конструкция, разработанная командой, является первой литий-воздушной батареей, в которой достигнута четырехэлектронная реакция при комнатной температуре. Она также работает с кислородом, поступающим с воздухом из окружающей среды. Возможность работы с воздухом позволяет избежать необходимости использования кислородных баллонов, что было проблемой более ранних конструкций.
Команда использовала множество различных методов, чтобы установить, как на самом деле происходит четырехэлектронная реакция. Одним из ключевых методов была просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ) продуктов разряда на поверхности катода, которая была проведена в Аргоннском центре наноразмерных материалов, пользовательском объекте Управления науки Министерства энергетики США. Изображения ПЭМ предоставили ценную информацию о механизме четырехэлектронного разряда.
Прошлые испытательные литий-воздушные ячейки имели очень короткий срок службы. Команда установила, что этот недостаток не относится к новой конструкции батареи, создав и проработав тестовую ячейку в течение 1000 циклов, продемонстрировав ее стабильность при многократном заряде и разряде.
При дальнейшем развитии мы ожидаем, что наша новая конструкция литий-воздушной батареи также достигнет рекордной плотности энергии в 1200 ватт-часов на килограмм. Это почти в четыре раза лучше, чем у литий-ионных аккумуляторов
— Ларри Кертисс.
