 Химики из Университета Ватерлоо обнаружили ключевую реакцию, происходящую в натриево-воздушных батареях, которые могут проложить путь для развития электрохимического хранения энергии. Во главе с профессором Линдой Назар, исследователи описали ключевой посреднический путь, который объясняет, почему натриево-кислородные батареи являются более энергоэффективными по сравнению с литиево-кислородным батареями. Понимание того, как работают батареи натрия и кислорода имеет значение для разработки более мощного литиево-кислородного аккумулятора.
«Наше новое понимание объединяет много разных, несвязанных кусков головоломки, которые позволили нам собрать полную картину», говорит Назар, профессор химии на факультете наук. «Эти данные будут меняться по мере того, как мы будем рассматривать неводных металл-кислородные батареи».
Натрий-кислородные батареи, по мнению многих, являются особенно перспективным сочетанием металл-кислородных батарей. Несмотря на то, что они имеют меньшую плотность энергии по сравнению с литий-кислородными батареями, они могут быть заряжены с эффективностью более чем 93 процентов, и являются достаточно дешевыми для крупномасштабного хранения в электрических сетях.
Ключ лежит в открытии группы Назара так называемой фазы переноса протона катализатора. Выделяя его роль в реакции зарядки и разрядки батареи, Назар и его коллеги смогли не только повысить мощность батареи, но и достигли почти идеального заполнения батареи. Когда исследователи исключили катализатор из системы, они обнаружили, что батарея перестала функционировать.
В отличие от батареи с традиционной твердотельной конструкцией, металл-кислородная батарея использует газовый катод, который принимает кислород и комбинирует его с таким металлом, как натрий или литий, для образования оксида металла, обеспечивая в процессе хранение электронов. Применение электрического тока меняет реакцию и переводит металл в его первоначальный вид.
В случае натрий-кислородной батареи, протон фазы катализатора передает новообразованный супероксид натрия (NaO2) в растворе, где он превращается в четко определенные нанокристаллы для выведения продукта в виде кубиков микронного размера. Размеры первоначально сформированных NaO2 важны; отдельно проведенные теоретические расчеты из группы в Массачусетском технологическом институте показали, что NaO2 энергетически предпочтительнее, чем перекись натрия Na2O2 на наноуровне. Когда батарея полностью заряжается, эти кубики NaO2 легко отделяются.
Тем не менее, супероксид лития (LiO2) слишком неустойчив, и практически сразу переходит к перекиси лития (Li2O2). Как толькоформируется Li2O2, катализатор уже не может обеспечить обратную реакцию, так как прямая и обратная реакция уже не являются теми же самыми. Для того чтобы достичь прогресса в литий-кислородных системах, исследователи должны найти дополнительный медиатор для эффективной зарядки батарей.
«Мы расследуем окислительно-восстановительные медиаторы, а также изучаем новые возможности для натрий-кислородных батарей», сказал Назар. «Литий-кислородные и натрий-кислородные батареи имеют большое будущее, но их развитие должно учитывать то, как высокая производительность, - и обратимость - может быть научно достигнута».
|
