Физики из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории и Принстонского университета (США) испытали перспективные графеновые электроды для литий-воздушных батарей.

Обычные батареи такого типа оснащены углеродным катодом, в порах которого запасается атмосферный кислород, играющий роль активного материала. При разряде катионы лития движутся с литиевого анода через электролит и вступают в реакцию с кислородом, образуя (в идеале) пероксид лития Li₂O₂, задерживающийся на катоде, а электроны идут с анода на катод через цепь нагрузки.

Преимуществом литий-воздушных образцов перед традиционными литий-ионными считается бóльшая достижимая плотность энергии.

На характеристики литий-воздушных батарей влияет множество факторов: относительная влажность, парциальное давление кислорода, состав электролита, выбор катализатора и общей компоновки устройства. Необходимо также учитывать, что осаждающиеся на углеродном электроде продукты реакций (Li₂O₂) блокируют пути проникновения кислорода, ограничивая ёмкость. Воздушный электрод оптимальной конфигурации, таким образом, должен иметь и микроразмерные поры, которые обеспечивают свободное прохождение кислорода, и наноразмерные полости, создающие достаточную плотность участков для реакций Li—O₂.

Рис. 1. Схема функционализированного графенового листа с функциональными группами на обеих его сторонах и краях и дефектами решётки, которые становятся энергетически выгодными участками для захвата продуктов реакций (Li₂O₂). Дефекты выделены жёлтым и фиолетовым, атомы углерода — серым, кислорода — красным, водорода — белым. Справа показана идеальная пористая структура воздушного электрода. (Здесь и далее иллюстрации из журнала Nano Letters).

Для создания новых электродов использовались функционализированные графеновые листы, полученные при термической обработке оксида графита. Начальное соотношение C/O у оксида примерно равно двум, но выдерживание при 1050˚C в течение всего 30 с позволяет увеличить его до ~15 за счёт выделения CO₂. После ухода диоксида углерода листы приобретают дефекты решётки, которые способствуют образованию изолированных наноразмерных частиц Li₂O₂, не блокирующих доступ кислорода при работе батареи.

Подготовленные листы помещались в микроэмульсионный раствор, содержащий связующие вещества. После высыхания электрод приобретал необычную внутреннюю структуру, в которой выделяются неплотно упакованные яйцеобразные элементы. Между ними были проложены широкие ходы, а «скорлупа» элементов содержала многочисленные наноразмерные поры. Другими словами, конструкция электрода была приближена к оптимальной.

Рис. 2. Графеновые электроды: сверху — только что изготовленные, снизу — после разряда. Стрелками отмечены частицы Li₂O₂. Размеры проставлены в микрометрах.

В экспериментах литий-воздушные батареи с графеновыми электродами (без катализатора) продемонстрировали рекордно высокую ёмкость в 15 000 мА•ч в пересчёте на грамм углерода. Такие результаты, отметим, были достигнуты в атмосфере чистого O₂; на воздухе ёмкость заметно снижается, поскольку в работу устройства вмешивается вода.

Авторы уже размышляют над конструкцией мембраны, которая гарантирует защиту от воды, но будет пропускать необходимый кислород.

«Мы также хотим сделать батарею полностью перезаряжаемой, — делится планами руководитель научной группы Цзи-Гуан Чжан (Ji-Guang Zhang). — Для этого понадобятся новый электролит и новый катализатор, и именно они нас сейчас и интересуют».

Рис. 3. Разрядная кривая литий-воздушной батареи с графеновым электродом.

Результаты работы представлены в статье:

Jie Xiao, Donghai Mei, Xiaolin Li, Wu Xu, Deyu Wang, Gordon L. Graff†, Wendy D. Bennett, Zimin Nie, Laxmikant V. Saraf, Ilhan A. Aksay, Jun Liu, and Ji-Guang Zhang Hierarchically Porous Graphene as a Lithium–Air Battery Electrode. – Nano Lett.  – 2011, 11 (11), pp 5071–5078; DOI: 10.1021/nl203332e.