Исследователи возлагают большие надежды на щелочно-металлические / кислородные батареи, потому что их теоретическая плотность энергии особенно высока. В таких батареях один электрод сделан из чистого щелочного металла. При разрядке этот электрод отдает электроны цепи и положительные ионы электролиту. Противоэлектрод изготовлен из пористого углерода и контактирует с воздухом.
На этом электроде кислород восстанавливается за счет поглощения электронов в присутствии ионов металла. Это может привести к образованию различных соединений оксидов металлов.
Когда батарея заряжается, этот процесс меняется на противоположный: кислород (O (2)) выделяется в воздух на положительном электроде, а щелочной металл осаждается на отрицательном электроде.На пути практического внедрения таких систем стоит ряд принципиальных проблем: недостаточная перезаряжаемость; многочисленные побочные реакции, ограничивающие стабильность; а при испытаниях с использованием лития — засорение пористого электрода пероксидом лития. Натрий получить гораздо легче, и он может быть лучшим выбором.
Натрий-кислородные элементы неожиданно не производят перекись натрия, вместо этого вырабатывая в основном супероксид натрия (NaO (2)), который может почти обратимо превращаться обратно в элементы во время зарядки.Система также требует безводного апротонного растворителя (который не может выделять ионы H (+)) для электролита. Диметилсульфоксид (ДМСО) — хороший выбор для электрохимических применений, но, к сожалению, он реагирует с натрием с образованием продуктов, которые могут быть проблематичными.Минфу Хе, Ка Чун Лау, Иин Ву и их команда из Университета штата Огайо, Университета штата Калифорния и Аргоннской национальной лаборатории (США) нашли подход к решению этой проблемы.
В их системе очень высокая концентрация органической соли трифторметансульфонимида натрия (NaTFSI) стабилизирует ДМСО в присутствии натрия.Используя рамановскую спектроскопию растворов электролитов NaTFSI / DMSO в сочетании с компьютерным моделированием, ученые смогли объяснить, почему это так. Высококонцентрированные растворы приводят к структуре слабо сшитых единиц Na (ДМСО) (3) TFSI, которые связывают большую часть молекул ДМСО, оставляя только несколько доступных для реакции. Затем натрий предпочтительно атакует анионы TFSI, что является преимуществом, поскольку продукт образует пассивирующий защитный слой на натриевом электроде.
Исследователи построили небольшую батарею с этой системой. Он продемонстрировал хорошие электрохимические свойства и прошел 150 циклов зарядки / разрядки без заметной потери эффективности.
Напротив, элементы с разбавленным раствором электролита могли работать только 6 циклов.