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

02.07.2018 10:00:00

...17 мая началось извержение одного из самых наблюдаемых вулканов мира — Килауэа на Гавайях...

...падение астероида 66 млн лет назад уничтожило не только динозавров, но и большинство птиц, за исключением видов, не обитающих на деревьях...

...для успешного управления объектами с помощью интерфейса мозг-компьютер необходимо взаимное обучение компьютера и пользователя, что авторы гипотезы и подтвердили победой на Кибатлоне...

...даже однократное лишение сна в течение суток способствует накоплению в клетках мозга бета-амилоидов, ассоциированных с болезнью Альцгеймера...

...создан биосенсор для диагностики кишечного кровотечения; капсула содержит бактерии, которые реагируют флуоресценцией на присутствие гема в окружающей среде, и подает сигнал на внешнее устройство...


>>
27.06.2018 10:00:00

Слухи и сплетни, называемые по-современному ложными или фейковыми новостями, сильно тревожат власти разных стран. С целью защиты европейских ценностей и демократии Европейская комиссия обнародовала доклад «Практический кодекс по дезинформации».

>>
20.06.2018 10:00:00

«Концепция ложных новостей стала основой политических дискуссий с момента избрания Дональда Трампа президентом США и уже привела к делегитимизации средств массовой информации. Понимание общего и различного в восприятии ложных новостей политическими группами поможет разработать стратегию снижения политической поляризации в наших демократических сообществах», — так сформулировали цель своего исследования доктор Крейг Харпер и профессор Том Багули из Ноттингемского университета.

>>
04.06.2018 10:00:00

...землетрясение 2017 года в Южной Корее, второе по мощности в новейшей истории страны, случилось из-за геотермального завода...

...новый стартап «Mammoth Biosciences» в США объявил своей целью проведение любых ДНК- и РНК-тестов методом CRISPR в амбулаторных и домашних условиях...

...миниатюрный сенсор в переднем зубе может передавать по беспроводной связи сведения о состоянии полости рта и о том, что человек ест...

...создан камуфляж для инфракрасной области спектра, работающий по принципу кожи кальмара...

...экспериментально подтверждено, что викинги могли определять положение солнца в пасмурные дни с помощью «солнечных камней», поляризующих свет — кальцита, кордиерита или турмалина...


>>
28.05.2018 10:00:00

Как сделать максимально безболезненным для людей переход от личного автотранспорта к общественному? За счет создания дешевой службы электрических такси-роботов. Такой вывод следует из результатов моделирования, проведенного Гордоном Бауэром из университета Беркли и его коллегами из Лоуренсовской национальной лаборатории Минэнерго США.

>>