Двумерные материалы помогут электромобилям проезжать 800 километров на одной зарядке

"Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) подробно рассказывали о литиево-воздушных батареях. Вкратце напомним, что запасённая в них энергия высвобождается при окислении лития кислородом воздуха. При зарядке аккумулятора происходит обратный процесс, то есть восстановление лития из оксида.

Поскольку литий – очень лёгкий металл, а воздух ещё легче, такая батарея позволяет запасти много энергии на единицу массы. Как говорят специалисты, у неё высокая плотность энергии.

"Нам понадобятся батареи с очень высокой плотностью энергии для питания новых передовых устройств, встроенных в телефоны, ноутбуки и особенно в электромобили", – констатирует Амин Салехи-Ходжин (Amin Salehi-Khojin) из Университета Иллинойса в Чикаго.

Группа Салехи-Ходжина нашла способ дополнительно увеличить энергозапас литиево-воздушных аккумуляторов за счёт новых двумерных катализаторов.

Напомним, что материал называется двумерным, если представляет собой слой толщиной примерно в один атом. К таким материалам относится знаменитый графен и многие другие соединения.

"В настоящее время электромобили могут проехать на одной зарядке в среднем около 100 миль (160 километров – прим. ред.). Но с включением 2D-катализаторов в [состав] литиево-воздушных аккумуляторов мы могли бы приблизиться к отметке в 400–500 миль (640–800 километров – прим. ред.) на одной зарядке, что радикально изменит ситуацию, – рассказывает Салехи-Ходжин. – Это был бы огромный прорыв в хранении энергии".

Авторы синтезировали и испытали в качестве катализаторов 15 различных материалов. Все они являлись дихалькогенидами переходных металлов. Самыми выдающимися о своим характеристикам были признаны дисульфиды ниобия, ванадия и молибдена, а также диселенид ванадия.

В чём же секрет новых катализаторов? Во-первых, двумерная структура делает материал прекрасным проводником электронов, что важно для протекающих в аккумуляторе электрохимических реакций.

Во-вторых, такой материал и ионный электролит батареи являются сокатализаторами: каждый в этой паре усиливает каталитическую активность "партнёра".

Важно также, что "плоский" элемент батареи будет иметь максимальную площадь поверхности на единицу объёма. Всей этой гигантской поверхностью он соприкасается с рабочей смесью и тем самым эффективно ускоряет протекание нужной реакции.

Наконец, детище авторов катализирует как реакции, связанные с зарядкой аккумулятора, так и сопровождающие его разрядку. Поэтому оба процесса становятся быстрее и эффективнее.

Всё это ведёт к тому, что новые батареи имеют в десять раз большую плотность энергии, чем их аналоги, где используются традиционные катализаторы, такие как золото и платина.

"Эти новые материалы представляют собой новый путь, способный вывести аккумуляторы на новый уровень. Теперь нужно будет разработать способы их производства и настройки с большей эффективностью и в больших масштабах", – заключает Салехи-Ходжин.