Выработка электроэнергии с помощью обычного воздуха – звучит фантастически. Однако это уже стало реальностью. Ученые из Университета St. Andrews разработали аккумуляторы, работающие с помощью воздуха. Они назвали свое изобретение STAIR (St. Andrews Air).

В самых популярных на данный момент литий-ионных аккумуляторах в качестве материала положительного электрода используют кобальтат лития – LiCoO2, а в качестве материала отрицательного электрода – графит. Количество сохраняемого заряда (и энергии) ограничено в основном свойствами материала положительного электрода: для LiCoO2 характерны величины ~130-150 мАч/г, что соответствует ~0.5Li/Co), тогда как для графита характерны емкости ~300 мАч/г. Поэтому поиски нового материала для положительного электрода были приоритетной задачей у многих ученых мира.
В новых аккумуляторах было решено отказаться от положительного электрода как такового. Токообразующей реакцией является прямое взаимодействие лития с кислородом воздуха, использование которого в качестве катода может привести к плотностям энергии в 5-10 раз более высоким, чем получают в настоящее время. Поскольку в аккумуляторе не используется кобальтат лития, элемент станет гораздо легче существующих батарей.

Концепция литий-воздушной батареи впервые появилась в 80-х годах XX века, в качестве электролита был использован водный щелочной раствор. Однако энергоэффективность такой батареи была невысокой за счет паразитической реакции лития с водой, кроме того, безопасность данного устройства тоже была под сомнением из-за выделения H2 в результате этой реакции.
В 1996 году было предложено заменить водный электролит на неводный полимерный электролит, что дало новый толчок к изучению этой системы. Новая версия литий-воздушного аккумулятора представляет собой токопленочные ячейки, в качестве анода в которых используют тонкую литиевую фольгу, которую отделяет от катода тонкая полимерная мембрана твердого электролита, проводящего ионы лития. Затем следует слой углерода с высокой площадью поверхности, на котором происходит восстановление кислорода, поступающего из воздуха. Органическая полимерная мембрана служит сепаратором, разделяющим анод и катод, а также как среда, через которую транспортируются ионы лития от литиевого анода к кислородному катоду во время разряда. Использование неводного электролита дает возможность перезаряда такой Li/O2 ячейки.

Катод, как правило, представляет собой пористый углерод. Для увеличения скорости восстановления кислорода на углерод часто наносят катализатор. Важными факторами являются соотношение этих материалов в катоде, пористость, выбор материала катализатора, а также структура и морфология используемых материалов. Наилучшим катализатором на данный момент признан марганец.
Данная батарея обладает неоспоримыми преимуществами. Кислород, активный материал катода, является практически неисчерпаемым и абсолютно бесплатным источником из окружающей среды. Отсутствие кобальта и невысокая масса лития делает аккумуляторы легкими, а ожидаемая энергоемкость равна ~1200-1800 мАч/г. В качестве примера можно сказать, что большинство ноутбуков с такими батареями потребуется подзаряжать всего раз в неделю.
Как и любое новшество, литий-воздушные батареи не лишены недостатков. Существует риск доступа воды из атмосферы в ячейку через воздушный катод, что сразу же делает элемент небезопасным в использовании. Для предотвращения этого необходимо использовать органические электролиты, в которых растворение воды не происходит или минимизировано. Кроме того, образующиеся в ходе токообразующих реакций оксиды Li2O и Li2O2 нерастворимы в растворе органического электролита и будут осаждаться в порах катодного материала, что блокирует дальнейший доступ кислорода, таким образом, резко обрывая жизнь электрохимической ячейки.
Данные проблемы отодвинут коммерческий выпуск литий-воздушных элементов примерно на пять лет, но сама идея является крайне перспективной, и сейчас множество ученых во всем мире ведут разработки таких аккумуляторов.