Литий-воздушные батареи могут превзойти обычные литий-ионные аккумуляторы, сохраняя значительно больше энергии при том же весе. Однако их высокие показатели производительности до сих пор оставались теоретическими, а срок службы — слишком коротким. Теперь китайская команда предложила добавить в электролит растворимый катализатор. Он действует как окислительно-восстановительный медиатор, который облегчает транспортировку заряда и противодействует пассивации электродов.
В отличие от литий-ионных аккумуляторов, в которых ионы лития «перемещаются» между двумя электродами, литий-воздушные аккумуляторы (Li-O2) используют анод из металлического лития. Во время работы аккумулятора положительно заряженные ионы лития растворяются и перемещаются на пористый катод, через который протекает воздух. Кислород окисляется и связывается в перекись лития (Li2O2). Во время зарядки кислород высвобождается, а ионы лития восстанавливаются обратно до металлического лития, который оседает на аноде. К сожалению, теоретически высокая производительность таких батарей до сих пор не стала реальностью.
На практике эффект, известный как перенапряжение, замедляет электрохимические реакции: образование и разложение нерастворимого Li2O2 является медленным, и его проводимость также очень низкая. Кроме того, поры катода склонны к закупорке, а высокий потенциал, необходимый для образования кислорода, разлагает электролит и способствует возникновению нежелательных побочных реакций. Это приводит к тому, что аккумуляторы теряют большую часть своей производительности уже после нескольких циклов зарядки/разрядки.
Команда под руководством Чжун-Шуай Ву из Даляньского института химической физики CAS, совместно с Сянкун Ма из Даляньского морского университета, предложила добавить новую йодидную соль имидазола (1,3-диметилимидазолия йодид, DMII), чтобы она служила катализатором и окислительно-восстановительным медиатором для повышения производительности и срока службы аккумуляторов.
Ионы йодида (I−) в соли могут легко реагировать с формой I3−, а затем снова возвращаться (окислительно-восстановительная пара). В этом процессе они переносят электроны на кислород (во время разряда) и забирают их обратно (во время зарядки). Это облегчает транспортировку заряда, ускоряет реакции, снижает перенапряжение катода, увеличивает разрядную емкость электрохимической ячейки. Ионы соли DMI содержат кольцо, состоящее из трех атомов углерода и двух атомов азота.
Это кольцо имеет свободно движущиеся электроны и может «захватывать» ионы лития во время разряда и эффективно передавать их кислороду на катоде. Кроме того, ионы DMI образуют на аноде сверхтонкую, но очень стабильную интерфейсную пленку, которая предотвращает прямой контакт электролита с поверхностью лития, минимизируя разложение электролита и предотвращая побочные реакции. Это стабилизирует анод и увеличивает срок службы аккумулятора.
Электрохимические тестовые элементы, изготовленные командой, продемонстрировали очень хорошие результаты, показав очень низкое перенапряжение (0,52 В), высокую стабильность цикла в течение 960 часов и высокообратимое образование/распад Li2O2 без побочных реакций.