Химики в Университете Уотерлу в Канаде успешно решили две наиболее важные проблемы, связанные с литий-кислородными аккумуляторами и создали рабочий прототип с почти 100-процентной кулоновской эффективностью.

Опубликованная недавно в журнале Science работа доказала, что четырёхэлектронная конверсия в литий-кислородной электрохимии легко обратима. Учёные впервые добились четырёхэлектронной конверсии, которая удваивает электронную ёмкость аккумуляторов на основе оксида лития (также называемых литий-воздушными).

«Существуют ограничения, накладываемые законами термодинамики, — говорит Линда Назар, ведущий автор проекта и профессор химического факультета. — Наша работа направлена на решение фундаментальных вопросов, которыми учёные занимаются уже длительное время».

Высокая теоретическая плотность энергии литий-кислородных (Li-O2) аккумуляторов и относительно малый вес сделали их «Священным Граалем» в области перезаряжаемых батарей. Но из-за давних проблем с химическим составом и стабильностью они представляли скорее академический интерес.

Две наиболее серьёзные проблемы возникают как результат реакции промежуточного продукта (супероксида LiO2) и пероксида (Li2O2) с пористым графитовым катодом, что разрушает ячейку изнутри. Кроме того, в этом процессе супероксид расходует органический электролит, что значительно сокращает число рабочих циклов аккумулятора.

Группа Назар заменила органический электролит на более стабильную расплавленную неорганическую соль, а пористый графитовый катод — на бифункциональный катализатор на основе оксида металла. Затем, эксплуатируя батарею при температуре 150 °С, они обнаружили, что вместо Li2O2 образуется более стабильный Li2O. В результате получается легко обратимая литий-кислородная батарея с кулоновской эффективностью близкой к 100 процентам.

Накапливая кислород в оксиде лития Li2O вместо пероксида Li2O2, батарея не только сохранила превосходные показатели зарядки, но и достигла максимальной доли четырёхэлектронной конверсии, увеличив теоретический объём запасаемой энергии на 50 процентов.

«Заменив электролит и катод и подняв температуру, мы добились отличной работы системы», — подвела итог Линда Назар.