Запатентован новый тип электрохимической ячейки

Сотрудники химического факультета и факультета наук о материалах МГУ имени М.В.Ломоносова запатентовали электрохимическую ячейку, позволяющую с помощью высокочувствительных методов анализа поверхности изучать химические процессы в материалах аккумуляторов. Разработка позволит понять процессы, возникающие при использовании литий-воздушных аккумуляторов. Этот тип аккумуляторов при одинаковой массе обладает в 5 раз большей ёмкостью, чем широко распространённые литий-ионные.  

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 литий-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 5 раз большую удельную энергию, чем литий-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 выяснили, 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.

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, — пояснил один из авторов патента старший научный сотрудник кафедры неорганической химии Даниил Иткис. — Обычно графен выращивают на поликристаллической медной фольге. Мы научились переносить графен на самые разные подложки, в том числе на твёрдый 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.