На пути к литий-азотным батареям: шаг за шагом
Батарея Challenger EVG12-75
Исследователи из Бельгии и Китая предложили план развития литий-азотных (Li–N₂) батарей, выявив основные препятствия на пути к их созданию, такие как низкая обратимость, медленная активация азота и нестабильность компонентов элементов. Они предлагают усовершенствовать электролиты, катализаторы, сепараторы и конструкцию элементов, а также стандартизировать тестирование и использовать проточные системы, чтобы обеспечить возможность как хранения энергии, так и химического производства на основе азота.
Преимущества аккумуляторной системы Li-N2
Исследовательская группа из Бельгии и Китая представила план развития литий-азотных (Li–N₂) аккумуляторов.
В таких батареях литий вступает в электрохимическую реакцию с газообразным азотом, образуя нитрид лития (Li₃N) при разрядке, и в идеале восстанавливает литий и азот при зарядке. Хотя первая обратимая батарея Li–N₂ была представлена почти десять лет назад, практическое применение этой технологии остается ограниченным.
«Наша работа представляет собой первую комплексную дорожную карту для практического внедрения литий-нитридных аккумуляторов, — рассказал автор исследования Юй Ли. — Вместо того чтобы сосредотачиваться на одном катализаторе или материале, мы выявляем фундаментальные барьеры, ограничивающие обратимость и долгосрочную стабильность, — от механизмов реакции и методов определения характеристик до электролитов, сепараторов и архитектуры элементов».
По словам Ли, команда также представила концепцию проточных батарей и предложила строгие стандарты тестирования.
«В более широком смысле эта работа демонстрирует, что литий-нитридные аккумуляторы — это новая электрохимическая платформа, которая может функционировать не только как перезаряжаемый аккумулятор, но и как способ производства азотсодержащих химических веществ с добавленной стоимостью, открывая возможности, выходящие за рамки традиционных технологий хранения энергии», — сказал он.
В своей статье исследователи утверждают, что разработке литий-азотных аккумуляторов препятствуют низкая обратимость, ограниченная циклическая стабильность и медленная кинетика активации азота. К дополнительным проблемам относятся деградация электролита и электродов, побочные реакции, вызванные влагой, кислородом и газовым обменом, несовершенство конструкции сепаратора и отсутствие надежных методов проверки истинного преобразования N₂ в Li₃N.
Чтобы решить эти проблемы, исследователи предлагают план действий, который включает в себя использование более стабильных электролитов, катализаторов, специально разработанных для активации азота, и ионоселективных газонепроницаемых сепараторов. Они также рекомендуют усовершенствовать конструкцию батарей, в том числе использовать проточную ячейку с эффектом проточного поля для улучшения переноса азота, а также передовые методы определения характеристик in situ и эксперименты с изотопным мечением для проверки механизмов реакций.
В дорожной карте также говорится о необходимости стандартизированных протоколов тестирования для надежного сравнения характеристик и использования искусственного интеллекта для ускорения поиска новых материалов и оптимизации аккумуляторов.
«Один из неожиданных выводов заключается в том, что разработка катализаторов сама по себе вряд ли решит проблемы, с которыми сталкиваются литий-азотные батареи, — сказал Ли. — Наш анализ показывает, что такие часто упускаемые из виду факторы, как конфигурация элемента, чистота газа, свойства сепаратора и протоколы проверки, могут быть не менее важными».
«Мы также были рады узнать, что литий-азотные аккумуляторы могут служить не только в качестве перезаряжаемых батарей, но и как платформы для производства ценных азотсодержащих химических веществ, потенциально объединяя возобновляемые источники электроэнергии, ее хранение и экологичное химическое производство в рамках одной технологии».
По словам Ли, его команда в настоящее время работает над экспериментальным подтверждением обратимости литий-нитридных аккумуляторов. Текущие усилия включают разработку усовершенствованных электрокатализаторов, таких как нанокатализаторы на основе железа, оптимизацию структуры аккумулятора и компонентов элементов, а также внедрение передовых методов определения характеристик in situ.
«Больше всего нас воодушевляет то, что некоторые из наших предварительных результатов уже дают основания полагать, что обратимая литий-азотная электрохимия может быть достижима при тщательно подобранных условиях», — сказал он.
«Хотя работа еще не завершена, мы считаем, что эти результаты могут помочь ответить на некоторые ключевые вопросы, которые сдерживали развитие этой области на протяжении почти десяти лет. В конечном счете наша цель — превратить литий-азотные батареи из перспективной концепции в научно обоснованную и практически применимую технологию как для хранения энергии, так и для устойчивого преобразования азота. Мы с нетерпением ждем возможности поделиться этими результатами с научным сообществом в ближайшем будущем».
Статья была представлена в работе «Литий-азотная батарея: перспективы и дорожная карта развития», опубликованной в Angewandte Chemie International Edition. Ученые из бельгийского Университета Намюра и китайского Уханьского технологического университета внесли свой вклад в разработку дорожной карты.