Самый странный литиевый аккумулятор

Курамшин А.И.
(«ХиЖ», 2018, №3)

pic_2018_03_11.jpg

Для запасания и высвобождения электроэнергии новый аккумулятор использует и кислород, и железо

На первый взгляд кажется, что новый аккумулятор, разработанный в группе Кристофера Волвертона из Северо-Западного университета США, не будет работать — настолько непривычная в нем химия. Но он работает, и весьма неплохо («Nature Energy», 2017, 2, 12, 963—971; doi: 10.1038/s41560-017-0043-6).

Причина скептицизма в том, что в новом аккумуляторе используют железо. Этот металл, при всей своей огромной важности для человечества, до сих пор не нашел себе места в источниках питания. И еще одна необычная для литий-ионных аккумуляторов черта — протеканию химической реакции, приводящей к образованию электрического тока, в новом аккумуляторе помогает кислород. Ранее считалось, что литий-ионные аккумуляторы в присутствии кислорода будут терять стабильность и разрушаться. Однако литий-железо-оксидный аккумулятор стабилен и вдобавок содержит больше носителей заряда (ионов лития), чем его литий-кобальт-оксидный аналог, а это, в свою очередь, обеспечивает большую емкость.

Литий-ионные аккумуляторы работают за счет перемещения ионов лития между анодом и катодом. При заряде аккумулятора ионы перемещаются к аноду, где они хранятся. Катод делают из вещества, в состав которого входят литий, переходный металл и кислород. Переходный металл (чаще всего кобальт) играет роль электронного депо, которое запасает и высвобождает электроны при перемещении ионов лития от анода к катоду и обратно. Таким образом, емкость катода определяется числом электронов переходного металла, которые он может задействовать в реакции. В обычных литий-кобальт-оксидных аккумуляторах и батареях на один атом кобальта приходится один ион лития.

Литий-кобальт-оксидные аккумуляторы появились на рынке около двух десятилетий назад, и почти тогда же ученые начали разрабатывать менее дорогие и вместе с тем способные запасать больший объем электрического заряда источники питания. Исследователи из группы Волвертона решили модифицировать обычный литий-кобальт-оксидный аккумулятор по двум направлениям: заменить кобальт на железо и использовать химический процесс, в котором принимает участие кислород. С помощью теоретических методов ранее спрогнозировали, что участие кислорода в электрохимических процессах, протекающих при зарядке и разрядке аккумулятора, сможет увеличить емкость. Теоретические прогнозы неоднократно пытались проверить на практике, но до недавнего времени безуспешно: применение кислорода в аккумуляторе понижало его стабильность (из-за необходимости «стравливать» активный газ такое устройство можно было использовать только как одноразовую батарейку, не способную к перезарядке).

Волвертон с коллегами смог сделать процесс зарядки/разрядки обратимым — для этого он заменил кобальт на железо, один из самых дешевых металлов, и правильно подобрал соотношение лития, железа и кислорода. Это позволило кислороду и железу совместно участвовать в обратимой реакции, протекающей без выделения газообразного кислорода.

По словам Волвертона, новый источник питания интересен со многих точек зрения. Он обладает весьма любопытной химией благодаря «приручению» кислорода. Переходным металлом впервые служит железо, что в перспективе может значительно удешевить себестоимость производства. Не менее важно, что в способном к перезарядке источнике питания на один атом переходного металла приходится четыре иона лития, а не один, и это значительно увеличивает емкость нового устройства.



Эта статья доступна в печатном номере "Химии и жизни" (№ 3/2018) на с. 11.

Разные разности

21.08.2019 18:00:00

Может ли финансовый кризис изменять течение вод в реках? Да, согласно исследованию, которое провели швейцарские специалисты из университетов Лозанны, Берна, Женевы и Цюриха

>>
05.08.2019 10:00:00

...как следует из данных, полученных межпланетным аппаратом «Кассини», кольца Сатурна намного моложе самой планеты...

…опубликованы результаты второго этапа проекта «Микробиом человека»...

...ферменты бактерий, обитающих в человеческом кишечнике, могут превратить эритроциты групп крови А в эритроциты «универсальной» крови группы 0...

>>
30.07.2019 17:30:00

Климатологи из Саскачеванского университета проанализировали данные о почти девяти тысячах дождей, собранные с 1964 по 2013 год. Вывод оказался таким: чем сильнее развивается глобальное потепление, тем чаще случаются именно катастрофические ливни.

>>
24.07.2019 15:30:00

Масштаб голодания в североамериканских учебных заведениях оценила аспирантка Флоридского университета Асиль Эль-Зайн. Проведенный ею опрос показал, что 19% студентов недоедает, а каждый четвертый постоянно с ужасом думает, где взять деньги на завтрашнюю еду.

>>
08.07.2019 16:00:00

...необходимы новые оценки значимости научных журналов, более широкие и прозрачные, чем импакт-фактор...

...деградацию полиэтиленового и полистиролового мусора в море ускоряет специализированное сообщество бактерий...

...смертность африканских слонов от браконьерства снизилась с 10% в 2011 году до менее 4% в 2017-м, вероятно, из-за запрета на торговлю слоновой костью в Китае...

>>