Учёные из Университета Суррея совершили прорыв в разработке экологичных аккумуляторов, которые не только способны хранить больше энергии, но и помогают бороться с выбросами парниковых газов. Литий-CO₂ «дышащие» батареи выделяют энергию, одновременно улавливая углекислый газ, что делает их более зелёной альтернативой современным литий-ионным аккумуляторам.

До недавнего времени литий-CO₂ батареи сталкивались с рядом проблем: они быстро выходили из строя, плохо перезаряжались и требовали дорогих, редких материалов вроде платины. Однако исследователи из Суррея смогли решить эти задачи, применив недорогой катализатор – фосфомолибдат цезия (CPM). Благодаря компьютерному моделированию и лабораторным тестам оказалось, что использование этого простого вещества позволяет батарее значительно увеличивать ёмкость, заряжаться при меньших затратах энергии и работать более 100 циклов.

Результаты исследования, опубликованные в журнале Advanced Science, открывают путь к практическому использованию таких батарей. Если их удастся внедрить в промышленность, они смогут сократить выбросы от транспорта и предприятий – а в перспективе такие батареи даже могут быть использованы на Марсе, где атмосфера на 95% состоит из CO₂.

Доктор Сиддхарт Гадкари, преподаватель химической инженерии в Университете Суррея и один из авторов работы, отмечает:

«Сегодня как никогда важно находить способы хранения энергии, которые поддерживают переход к возобновляемым источникам и одновременно решают проблему изменения климата. Наши исследования литий-CO₂ аккумуляторов могут стать ключевым шагом к достижению этой цели.

Одна из главных сложностей работы таких батарей – это так называемый “оверпотенциал” — избыточная энергия, необходимая для запуска реакции. Это можно сравнить с подъёмом в гору, прежде чем начать катиться вниз. Мы показали, что катализатор CPM “выравнивает горку” — аккумулятор при зарядке и разрядке теряет гораздо меньше энергии».

Чтобы выяснить, почему CPM так хорошо работает, команды из факультета химии и химической инженерии Университета Суррея и Института передовых технологий провели два типа исследований. Сначала они разбирали батареи после циклов заряда-разряда, чтобы изучить происходящие химические изменения. Эти «посмертные» тесты показали, что образующийся при поглощении CO₂ карбонат лития можно надёжно формировать и удалять — что важно для долговечной работы аккумулятора.

Затем учёные использовали компьютерное моделирование на основе теории функционала плотности (DFT), чтобы понять, как именно происходят реакции на поверхности материала. Оказалось, что пористая и устойчивая структура CPM способствует протеканию ключевых химических процессов.

Доктор Дэниел Командёр, научный сотрудник Университета Суррея и один из авторов статьи, добавляет:

«Самое интересное, что нам удалось совместить высокую эффективность и простоту. Мы доказали, что можно создавать эффективные литий-CO₂ батареи из доступных и масштабируемых материалов — без использования редких металлов. Эти результаты открывают возможности для создания ещё более совершенных катализаторов».

Это открытие прокладывает путь к созданию новых, недорогих и лёгких в производстве аккумуляторных материалов. Благодаря дальнейшим исследованиям взаимодействия катализаторов с электродами и электролитами литий-CO₂ батареи могут стать практичным и масштабируемым решением для хранения чистой энергии и одновременного снижения содержания углекислого газа в атмосфере.