В России появятся свои литий-воздушные аккумуляторы

Современные Li-ионные (Li-ion) аккумуляторы скоро могут быть вытеснены Li-воздушными. Их разработкой в России занимается резидент Сколково, компания FM Lab.

"Химические источники тока "Li-воздух" давно привлекают внимание потому что литий является сильнейшим восстановителем и он очень легкий, а кислород воздуха — практически бесплатный окислитель. В России работы над этой технологией проводятся на факультете наук о материалах МГУ. В лабораторных условиях созданы эффективные источники тока, и теперь надо лабораторную технологию превратить в полупромышленное производство", — говорит Александр Скундин, доктор химических наук, заведующий лабораторией "Процессы в химических источниках тока" Института физической химии и электрохимии им. А. Н. Фрумкина РАН.

Одна из областей, в которых преимущества Li-воздушных аккумуляторов очевидны — электромобили. Сейчас они питаются от Li-ion батарей, производителям приходится балансировать между их энергоемкостью, весом и ценой. "В самых продвинутых Li-ion аккумуляторах запасается всего 180-190 ватт-часов на кг веса (в 1 кг бензина — около 10 киловатт-часов). Кроме того, Li-ion аккумулятор, способный запасать 1 киловатт-час, стоит больше 1000 долларов", — говорит Даниил Иткис, кандидат химических наук, научный руководитель и член совета директоров компании FM Lab. Предполагается, что Li-воздушные аккумуляторы позволят запасать больше энергии при меньшем весе и меньшей стоимости.

Сейчас прототипы российских аккумуляторов запасают около 1 киловатт-часа на 1кг веса, а к 2013 году ученые из FM Lab планируют собрать образец, способный запасать 10 киловатт-часов на 1кг.

Как работает аккумулятор

Литиевые аккумуляторы, как и все химические источники тока, работают за счет окислительно-восстановительной реакции. При взаимодействии пары "окислитель-восстановитель" вещество-окислитель забирает у восстановителя электроны. В батарейках анод состоит из окисляемого вещества, восстановителя, катод — из вещества-окислителя, между ними электролит — органическая жидкость. Окислитель забирает у атомов восстановителя электроны, образовавшиеся ионы проходят через электролит и присоединяются к окислителю, электроны же по внешней цепи подаются на требующее питания устройство.

Чем активнее окислитель и восстановитель, тем эффективнее батарея. В качестве анода используют литий, он обладает самым большим электродным потенциалом (-3 вольта). Литий же — самый легкий металл, что уменьшает вес аккумулятора. Катод в Li-ion аккумуляторах делают из сильных окислителей, например из оксида кобальта.

Когда в ходе реакции от атомов лития отсоединяются электроны, образуются положительные ионы (Li -> Li+ + e-). Они проходят через электролит и оседают на положительном электроде. Когда весь литий в виде ионов осел на катоде, аккумулятор разряжен. При зарядке процесс идет в обратном направлении — электроны двигаются от катода к аноду, ионы лития оседают на аноде, где насыщаются электронами и становятся нейтральными атомами.

Литиевые деревья

Изначально аноды Li-ion аккумуляторов делали из чистого лития, однако такие батареи небезопасны. При зарядке литий оседает не ровными слоями, а в виде дендритов — со временем эти "деревца" прорастают сквозь электролит до катода, происходит короткое замыкание с выделением тепла, электролит загорается. Чаще всего батареи вздуваются, но могут и взрываться. Сейчас батарейки с чистым литием ставятся в кварцевые часы, они не перезаряжаемые.

В 90-м году инженеры компании Sony первыми поменяли чистый литий на графит, насыщенный литием. С тех пор в ходе зарядки литий оседает между слоями графита, и роста дендритов не происходит. "С одной стороны, решилась проблема безопасности, но с другой — емкость 1г Li-насыщенного графита составляет 300 миллиампер-часов, а емкость 1г чистого лития — 3800 миллиампер-часов", — говорит Иткис. Поэтому в Li-воздушных аккумуляторах будет использоваться чистый литий, а проблема его равномерного оседания при зарядке решится за счет применения новых электролитов, разрабатываемых самой FM Lab.

Полимерный электролит

По словам Александра Скундина, "одна из сложностей заключается в совмещении работы воздушного электрода с литием — воздух содержит влагу, которая мешает нормальному протеканию окислительно-восстановительной реакции". Вода связывает атомы лития, не давая им распадаться на ионы и электроны (Li + H2O -> LiOH + H2). Решено это было разделением аккумулятора на две камеры. В одной, герметичной, находится литиевый анод. Вторая камера сообщается с внешней средой, в нее поступает воздух. Поскольку герметичность Li-ion аккумуляторов была продиктована не в последнюю очередь испаряемостью самого электролита, в FM Lab решили использовать вместо органической жидкости тонкую твердую пластину — она и обладает свойствами электролита, и обеспечивает герметичность камере с анодом. "В первых разработках мы использовали стеклокерамические пластинки (Li-Al-Ge-P-O). Толщина такого электролита должна быть не более 100 микрометров — иначе ионы лития будут просто осаждаться в пластине, не доходя до катода. При такой толщине стеклокерамика очень хрупка, кроме того, производственный процесс очень дорог. Поэтому сейчас мы активно работаем над созданием полимер-керамических пластин — хорошо проводящих твердых газоплотных электролитов, которые можно будет хоть в рулоны сворачивать без угрозы повреждений", — сообщил Иткис.

Катод — губка с обдувом

Катод Li-воздушного аккумулятора размещается снаружи, это углеродная губка — легкая структура с множеством сквозных пор, которая наполняется кислородом. Кислород притягивает электроны лития и вбирает его ионы сквозь электролит, внутри губки образуется твердый осадок (O2 + 2Li+ + 2e- -> Li2O2), который разлагается при зарядке аккумулятора — электроны двигаются в обратном направлении, ионы лития возвращаются в пластину-электролит, а атомы кислорода — во внешнюю среду. То есть Li-воздушные аккумуляторы возвращают кислород в атмосферу и не выбрасывают вредных веществ.

Есть иная сложность — воздух содержит множество посторонних элементов, способных нарушить реакцию в губке. Например углекислый газ, вступая в реакцию с осадком (Li2O2 + CO2 -> Li2CO3 + O2), или та же влага (Li2O2 + H2O -> LiOH + O2) связывают осадок, и он уже не может распадаться на электроны, ионы лития и кислород, заряжать аккумулятор не получается. Разработчики считают, что кислород должен поступать в губку либо в чистом виде из баллонов, либо с воздухом, прошедшим через системы фильтрации. При использовании Li-воздушной батареи в электромобиле подразумевается обдувка катода потоком фильтрованного воздуха — под капотом уже нет огромного двигателя внутреннего сгорания, так что найдется место для воздухофильтров. "Это изящное решение, так как поток воздуха обеспечит также и охлаждение аккумулятора", — считает Иткис. Решения же проблемы в случае с питанием портативных устройств разработчики пока не достигли.

Александр Скундин, доктор химических наук, заведующий лабораторией Института физической химии и электрохимии им. А. Н. Фрумкина РАН

Создавать у нас производство Li-ion аккумуляторов, то есть повторять то, что делается в Юго-Восточной Азии, не очень целесообразно. А идея сделать аккумуляторы с более высокими показателями вполне разумна — сейчас есть возможность создать в России производство Li-воздушных аккумуляторов. Они будут вполне конкурентоспособны.

Li-воздушные аккумуляторы могут использоваться везде, где используются Li-ion. Однако прежде чем ставить их на электромобили, все-таки наладят производство маленьких аккумуляторов для портативных устройств.

Даниил Иткис, кандидат химических наук, научный руководитель и член совета директоров компании FM Lab

То, как мы используем нефть в транспорте — кощунство. КПД современных ДВС примерно 40%. При этом в автомобиле всегда есть трансмиссия, в каждом из узлов которой происходят дополнительные потери. Общая эффективность ДВС не превышает 20%. КПД электродвигателей более 90%, и ему не требуется трансмиссия, коробка передач просто отсутствует. Современные концепции электромобиля — например, когда мотор встроен в колесо — подразумевают общую эффективность порядка 90%. Таким образом, используя электродвигатель, можно вчетверо повысить эффективность использования энергии.