О перспективных графеновых электродах для литий-воздушных батарей
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 O2Авторы 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.
- Источник(и):
1. PhysOrg 2. compulenta.ru
http://www.nanonewsnet.ru/articles/2012/o-perspektivnykh-grafenovykh-elektrodakh-dlya-litii-vozdushnykh-batarei
|
