Хіміки з Університету Ватерлоо успішно вирішили дві з найскладніших проблем, пов'язаних з літієво-кисневими батареями, і в результаті створили робочу батарею з майже 100-відсотковою кулонівською ефективністю.
Нова робота, що з'явилася на цьому тижні в Science, доводить, що чотириелектронне перетворення для електрохімії літій-кисень сильно звернемо. Команда першою досягла чотириелектронного перетворення, яке подвоює електронне зберігання літій-кисневих, також відомих як літієво-повітряних, батарей.
«Існують обмеження, засновані на термодинаміці», - сказала Лінда Назар, вчений з Канади з досліджень в області напівпровідникових матеріалів і старший автор проекту. «Тим не менш, наша робота присвячена фундаментальним питанням, які люди давно намагаються вирішити».
Висока теоретична щільність енергії літій-кисневих (Li-O2) батарей і їх відносно невелика вага зробили їх Святим Граалем систем перезаряджуваних батарей. Але давні проблеми з хімією і стабільністю батареї зберегли їх суто академічною цікавістю.
Дві з серйозних проблем пов'язані з проміжною ланкою хімії клітин (супероксид, LiO2) і пероксидним продуктом (Li2O2), що взаємодіє з пористим вуглецевим катодом, що руйнує клітку зсередини. Крім того, супероксид споживає органічний електроліт у процесі, що значно обмежує тривалість циклу.
Назар і її колеги переключили органічний електроліт на більш стабільну неорганічну розплавлену сіль і пористий вуглецевий катод на біфункціональний каталізатор на основі оксиду металу. Потім, експлуатувавши батарею при 150 ° C, вони виявили, що замість Li2O2 утворюється більш стабільний продукт Li2O. Це призводить до високооборотної Li-кисневої батареї з кулонівською ефективністю, що досягає 100 відсотків.
Зберігаючи O2 як оксид літію (Li2O) замість пероксиду літію (Li2O2), батарея не тільки підтримувала відмінні характеристики зарядки, але і досягала максимального чотириелектронного перенесення в системі, тим самим збільшуючи теоретичне збереження енергії на 50 відсотків.
«Замінюючи електроліт і електродний господар і підвищуючи температуру, ми показуємо, що система працює чудово», - сказала Лінда Назар, яка також є професором університету на кафедрі хімії у Ватерлоо.