Графен помог понять механизм работы литий-воздушных аккумуляторов

Электрохимическую ячейку, позволяющую с помощью высокочувствительных методов анализа поверхности изучать химические процессы в материалах аккумуляторов, запатентовали сотрудники химического факультета и факультета наук о материалах МГУ им. М. В. Ломоносова. Разработка позволит понять процессы, возникающие при использовании литий-воздушных аккумуляторов. Этот тип аккумуляторов при одинаковой массе обладает в пять раз большей емкостью, чем широко распространенные литиево-ионные, сообщает пресс-служба университета.

Чтобы повысить эффективность работы аккумуляторов, ученые во всем мире предлагают использовать новые химические реакции, которые, протекая при зарядке и разрядке батареи, позволяют получить более высокий удельный энергозапас. Одной из наиболее перспективных альтернатив самым распространенным сейчас литиево-ионным аккумуляторам считаются литий-воздушные элементы.

Литий-воздушные 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 литиево-ионные аккумуляторы. Но, несмотря на преимущества, промышленное производство литий-воздушных аккумуляторов пока не запущено: разработчики сталкиваются с фундаментальными и технологическими сложностями. Одним из существенных недостатков инновационных аккумуляторов стала быстрая деградация положительного электрода батареи, который, как правило, сделан из углерода. Уже после десятка циклов зарядки-разрядки аккумулятор перестает работать.

Чтобы определить insitu (т. е. 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 под руководством доктора химических наук, профессора Лады Яшиной 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.

«Избежать разрушения электрода супероксидом LiO₂ — крайне непростая задача, — рассказал “Стимулу” один из авторов патента, старший научный сотрудник кафедры неорганической химии Даниил Иткис. — В нашей лаборатории уже несколько лет ведутся исследования альтернативных углероду материалов, например карбида титана. Он тоже легко реагирует и окисляется, но, в отличие от углеродных материалов, эта реакция протекает только поначалу, а затем твердый оксид титана, получающийся на поверхности, препятствует дальнейшему разрушению. Тем не менее говорить об успехе пока рано — нужно научиться делать этот “защитный” слой достаточно тонким. Есть, конечно, благородные металлы: например, золото — оно не реагирует с супероксидом. Но для практического применения такой вариант неинтересен».

По словам Даниила Иткиса, супероксид лития — это промежуточный продукт реакции. В неводных электролитах, используемых в литий-воздушных электрохимических ячейках, восстановление кислорода происходит в два этапа — сначала растворенная в электролите молекула кислорода получает один электрон и превращается в супероксид-ион, который и образует пару с ионом лития. Затем этот промежуточный продукт может тем или иным образом превратиться в конечный продукт — пероксид лития.

Ключевым аналитическим методом, прояснившим причину деградации электрода, стала рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия. Метод позволяет детально исследовать процессы на поверхности, при этом глубина зондирования может достигать всего одного атомного слоя. 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. Сотрудники МГУ решили эту проблему, нанеся на твердый электролит одноатомный графеновый слой, который прозрачен для фотоэлектронов.

«В использовании графена сегодня нет ничего необычного, во многих лабораториях по всему миру научились выращивать графен и переносить его на нужную подложку, — поясняет Даниил Иткис. — Обычно графен выращивают на поликристаллической медной фольге. Мы научились переносить графен на самые разные подложки, в том числе на твердый литий-проводящий электролит, о котором идет речь в патенте».

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.