Ученые из Университета Яманаси и Университета Васэда в Японии создали новый тип твердотельной воздушной батареи, в которой вместо металлического анода используется органическое вещество – производное антрахинона. Такая батарея способна накапливать энергию за счет реакции с кислородом воздуха, но при этом лишена ряда проблем традиционных металл-воздушных аккумуляторов.
Воздушные батареи давно считаются одной из самых перспективных технологий накопления энергии. В таких устройствах кислород берется прямо из окружающего воздуха, благодаря чему удается существенно снизить массу батареи и увеличить ее теоретическую энергоемкость. Например, литий-воздушные аккумуляторы потенциально способны хранить в несколько раз больше энергии, чем современные литий-ионные батареи. Однако их широкому внедрению мешают серьезные проблемы: металлические электроды постепенно разрушаются, образуют дендриты, способные вызвать короткое замыкание, а жидкие электролиты могут воспламеняться или протекать.
Японские исследователи решили отказаться сразу и от жидкого электролита, и от металлического отрицательного электрода. Вместо этого они создали полностью твердотельную конструкцию, в которой роль анода выполняет органическая молекула anthraquinone-2-carboxylic acid – антрахинон-2-карбоновая кислота, а перенос заряда обеспечивает твердая мембрана Нафион – один из самых известных и эффективных протонопроводящих полимеров. Во время работы батареи кислород поступает с положительного электрода, а органическое соединение на отрицательном электроде принимает и отдает электроны, запасая энергию.
Одним из ключевых преимуществ нового материала оказался низкий окислительно-восстановительный потенциал. Благодаря этому батарея смогла развивать более высокое напряжение, чем предыдущие органические воздушные аккумуляторы аналогичного типа. В экспериментах напряжение достигало 1,16 вольта против 0,88 вольта у ранее исследованных систем.
Особое внимание ученые уделили толщине твердого электролита. Оказалось, что более толстая мембрана значительно улучшает характеристики батареи. Причина в том, что она хуже пропускает кислород внутрь устройства. Если кислород проникает к органическому электроду слишком активно, он начинает разрушать активный материал побочными химическими реакциями. Толстая мембрана позволила снизить этот эффект: емкость батареи выросла с 18 до 65 мА·ч на грамм, а эффективность зарядки-разрядки – с 30% до 88%.
Чтобы еще сильнее снизить нежелательное окисление, ученые заменили чистый кислород на обычный воздух, который также подавался на положительный электрод. На первый взгляд это может показаться шагом назад, ведь концентрация кислорода в воздухе ниже. Однако на практике такой подход дал еще лучшие результаты: разрядная емкость выросла до 80 мА·ч на грамм, а кулоновская эффективность – до 95%. Объясняется это тем, что при более низкой концентрации кислорода через мембрану проникает меньше его молекул, а значит снижаются и потери энергии на побочные химические реакции.
Испытания также показали хорошую устойчивость батареи к интенсивной работе. Даже при очень высоких скоростях зарядки и разрядки система сохраняла около 85% эффективности. После 20 циклов работы батарея при использовании воздуха сохраняла примерно 92% первоначальной эффективности, что считается хорошим показателем для экспериментальных органических аккумуляторов.
Исследователи считают, что в будущем такие твердотельные воздушные батареи могут стать перспективной альтернативой традиционным литий-ионным аккумуляторам. Использование органических материалов потенциально удешевляет производство и снижает зависимость от дефицитных металлов, а твердый электролит повышает безопасность устройства.
