Language
Country/Area
No result found
Революция литий-воздушных аккумуляторов: почему ученые вновь заинтересовались ими после 2000-х годов?
Литий-воздушная батарея (Li-air) — это металловоздушная электрохимическая батарея, в которой для генерации электрического тока используется реакция окисления лития на аноде и реакция восстановления кислорода на катоде. Ученые предположили, что сочетание лития с окружающим кислородом теоретически может привести к созданию электрохимического элемента с максимально возможной удельной энергией. Согласно исследованиям, теоретически безводные литий-воздушные батареи могут достигать удельной энергии около 40,1 МДж/кг при зарядке (с Li2O2 в качестве продукта и без учета массы кислорода), что сопоставимо с теоретической удельной энергией бензина, которая составляет около 46,8 МДж/кг. То есть очень близко.
Хотя производительность современных литий-воздушных аккумуляторов еще не достигла теоретического уровня, их потенциальная удельная энергия примерно в пять раз превышает таковую у коммерческих литий-ионных аккумуляторов и позволяет достичь запаса хода около 500 километров, что в очередной раз привлекло внимание научного сообщества. Эта технология.
Исторически концепция литий-воздушных аккумуляторов была предложена еще в 1970-х годах, изначально как источник энергии для электромобилей и гибридных транспортных средств. Однако в то время считалось, что эта концепция несет в себе риски, несоразмерные преимуществам, из-за технических проблем, с которыми сталкиваются батареи, включая время обратной зарядки, чувствительность к азоту и воде, а также плохую внутреннюю проводимость. В результате исследования литий-воздушных аккумуляторов продвигались медленно до конца 2000-х годов, когда интерес к этой области вновь возрос благодаря достижениям в области материаловедения.
Конструкция и механизм работы
Основной принцип работы литий-воздушных аккумуляторов заключается в том, что ионы лития перемещаются между анодом и катодом в электролите. Во время разряда аккумулятора электроны преобразуются в электрическую энергию через внешнюю цепь, а ионы лития перемещаются к катоду. Во время зарядки на аноде осаждается металлический литий, а на катоде выделяется кислород.
Проблемы катода и анода
В конструкции литий-воздушных аккумуляторов в качестве анода обычно используется металлический литий. Литий высвобождает электроны на аноде, но это также создает для анода множество проблем, таких как реакция с электролитом, дендритное осаждение лития и химические изменения на границе электролита. Эти проблемы могут привести к снижению энергоемкости или создать риск коротких замыканий.
На катодной стороне реакция восстановления кислорода также сталкивается с проблемами чрезмерного накопления продукта и низкой эффективности катализатора, что существенно влияет на основные характеристики литий-воздушных аккумуляторов.
Инновации в электролитах
Чтобы решить вышеуказанные технические проблемы, исследователи начали изучать различные конструкции электролитов, включая водные кислотные, щелочные и анводные электролиты. Каждый подход к использованию электролитов имеет свои преимущества и недостатки, но все они требуют дальнейшего совершенствования.
Коммерциализация и перспективы на будущее
Хотя результаты лабораторных испытаний литий-воздушных аккумуляторов обнадёживают, на пути к их коммерциализации ещё предстоит преодолеть множество трудностей. Например, необходимо решить такие вопросы, как долгосрочная стабильность и циклический срок службы. Потребность автомобильной промышленности в аккумуляторах, особенно в аккумуляторах с высокой плотностью энергии, остается основной движущей силой разработки литий-воздушных аккумуляторов.
Учитывая двойное давление спроса на электроэнергию и экологических проблем, ученые никогда не прекратят свои исследования. Смогут ли они найти прорывное решение в будущем, которое приведет к коммерциализации технологии литий-воздушных аккумуляторов?
В будущем литий-воздушные аккумуляторы могут стать основным выбором для электромобилей. Это объясняется не только тем, что их высокая плотность энергии может значительно увеличить дальность поездки, но и тем, что они могут сделать хранение возобновляемой энергии более эффективным. Однако существующие ограничения технологий требуют от исследователей продолжать усердно работать и искать более инновационные пути. Настанет ли день, когда литий-воздушные аккумуляторы действительно изменят наш способ передвижения на электромобилях?
