Литий-кислородные батареи считаются одним из перспективных направлений развития накопителей энергии, поскольку их плотность энергии в десять раз выше, чем у традиционных литий-ионных аккумуляторов. Такая технология потенциально позволит электромобилям преодолевать гораздо большие расстояния без подзарядки, а беспилотникам — дольше находиться в воздухе. Однако до сих пор коммерческое применение таких батарей ограничивалось низкой эффективностью химических процессов внутри них.

Основная проблема кроется в медленных кислородных реакциях на катоде батареи. Это увеличивает потери энергии и сокращает срок службы аккумулятора. Для ускорения процессов применяют катализаторы на основе драгоценных металлов — платины или рутения, однако их высокая стоимость делает такие решения нерентабельными для массового производства.

Команда разработала альтернативный катализатор на основе двух недорогих оксидов — перовскита и шпинели. По отдельности эти соединения уже обладают каталитическими свойствами, однако их объединение дает синергетический эффект. Композитный материал ускоряет сразу два важных процесса — восстановление кислорода при разряде и выделение кислорода при зарядке.

Новый катализатор показал высокую эффективность в лабораторных испытаниях. Он обеспечил разницу между напряжением зарядки и разрядки всего 1,14 В — один из лучших показателей для подобных систем. Чем меньше этот показатель, тем меньше энергии теряется при работе аккумулятора. Кроме того, композит превзошел коммерческий оксид рутения во время зарядки и продемонстрировал эффективность на уровне платинового катализатора при разряде.

Исследователи установили, что эффективность нового катализатора связана не с большой площадью поверхности. Напротив, композит имел наименьшую электрохимическую площадь среди протестированных образцов. Ключевую роль сыграла его электронная структура — соединение двух оксидов создало на границе материалов кислородные вакансии, которые облегчают перенос электронов и ускоряют реакции с кислородом.

Новая технология может стать основой для создания более доступных литий-кислородных аккумуляторов следующего поколения. В перспективе такие системы могут применяться не только в электромобилях и беспилотниках, но и в крупных системах хранения энергии для солнечной и ветровой энергетики. При этом исследователям еще предстоит проверить долговечность технологии и подготовить ее к практическому использованию.