.jpg)
Ученые из Университета Яманаси и Университета Васэда в Японии создали новый тип твердотельной воздушной батареи, в которой вместо металлического анода используется органическое вещество. Такая батарея способна накапливать энергию за счет реакции с кислородом, но при этом лишена ряда проблем обычных металл-воздушных аккумуляторов.
Воздушные батареи давно считаются одной из самых перспективных технологий накопления энергии. В таких устройствах кислород берется прямо из окружающего воздуха, благодаря чему удается существенно снизить массу батареи и увеличить ее теоретическую энергоемкость. Например, литий-воздушные аккумуляторы потенциально способны хранить в несколько раз больше энергии, чем современные литий-ионные батареи. Однако их широкому внедрению мешают серьезные проблемы. Металлические электроды постепенно разрушаются, образуют дендриты, способные вызвать короткое замыкание, а жидкие электролиты могут воспламеняться или протекать.
Японские ученые решили отказаться сразу и от жидкого электролита, и от металлического отрицательного электрода. Вместо этого они создали полностью твердотельную конструкцию, в которой роль анода выполняет органическая молекула, а перенос заряда обеспечивает твердая мембрана. Во время работы батареи кислород поступает с положительного электрода, а органическое соединение на отрицательном электроде принимает и отдает электроны, запасая энергию.
Одним из ключевых преимуществ нового материала оказался низкий окислительно-восстановительный потенциал. Благодаря этому батарея смогла развивать более высокое напряжение, чем предыдущие органические воздушные аккумуляторы аналогичного типа.
Особое внимание ученые уделили толщине твердого электролита. Оказалось, что более толстая мембрана значительно улучшает характеристики батареи. Причина в том, что она хуже пропускает кислород внутрь устройства. Если кислород проникает к органическому электроду слишком активно, он начинает разрушать активный материал побочными химическими реакциями. Толстая мембрана позволила снизить этот эффект.
Чтобы еще сильнее уменьшить нежелательное окисление, ученые заменили чистый кислород на обычный воздух, который также подавался на положительный электрод. Это может показаться шагом назад, ведь концентрация кислорода в воздухе ниже, однако на практике такой подход дал еще лучшие результаты. Разрядная емкость выросла до 80 мА·ч на грамм, а кулоновская эффективность повысилась до 95%. Объясняется это тем, что при более низкой концентрации кислорода через мембрану проникает меньше его молекул. Значит, снижаются и потери энергии на побочные химические реакции.
Испытания также показали хорошую устойчивость батареи к интенсивной работе. Даже при очень высоких скоростях зарядки и разрядки система сохраняла около 85% эффективности. После 20 циклов работы батарея при использовании воздуха сохраняла примерно 92% первоначальной эффективности, что считается хорошим показателем для экспериментальных органических аккумуляторов.
Ученые считают, что в будущем такие твердотельные воздушные батареи могут стать перспективной альтернативой литий-ионным аккумуляторам. Использование органических материалов потенциально удешевляет производство и снижает зависимость от дефицитных металлов, а твердый электролит повышает безопасность устройства.
