Влияние структуры углеродных наноматериалов на строение двойного слоя в приложении к Li-воздушным батареям

ОИВТ РАН, Москва МФТИ, Долгопрудный

Постоянно растущие потребности в электроэнергии требуют создания электрохимических источников тока с улучшенными характеристиками, среди которых особое место занимают Li-воздушные батареи. Практически достижимый предел их энергоемкости составляет 1000 Вт·ч/кг и более, что значительно превосходит показатели для современных и возможных будущих Li-ионных батарей (150 и 300 Вт·ч/кг соответственно). Однако реализация данного потенциала требует решения комплекса проблем, связанных с различными стадиями преобразования энергии в подобных системах. В частности, остро стоит вопрос катализа реакции восстановления кислорода, происходящей на поверхности пористого воздушного катода.

Данная работа направлена на выявление возможных факторов, определяющих отличия в электрокаталитической активности углеродных катодов с различной морфологией в Li-воздушных батареях. Методом молекулярной динамики (МД) исследована структура апротонных растворителей вблизи следующих модельных углеродных поверхностей: нанотрубка диаметром ~0.6 нм, плоскость графена, грай однослойного графена, край многослойного  графенов.

Обнаружено, что тип поверхности существенно влияет на структуру межфазной границы электрод/электролит. Вблизи плоскости графена, края графена и нанотрубки растворитель имеет слоистую структуру. Причем, выраженность слоев растворителя падает по мере увеличения кривизны поверхности в ряду плоскость < нанотрубка < край графена. Структура межфазной границы вблизи края многослойного графенов имеет качественно отличную "шахматную" структуру.

Получены профили свободной энергии основных реагентов Li⁺ и O₂ реакции восстановления кислорода, из которых следует существование корреляции между локальной структурой растворителя и распределением Li⁺ и O₂. Найдено, что изменение морфологии катода позволяет управлять распределением Li⁺ и O₂ в приэлектродной области и, следовательно, кинетикой реакции восстановления кислорода. Показано, что на краю графена концентрация реагентов и скорость их адсорбции выше, чем вблизи плоскости графена, что может объяснять повышенное образование продуктов реакции на краях графенов при разрядке Li-воздушных батарей [1].

Полученные данные дают снование по новому взглянуть на причины различной электрокаталитической активности углеродных материалов c отличающейся морфологией, среди которых (наряду с электронными свойствами) надо учитывать изменения распределений концентраций реагентов и скорости их транспорта к поверхности.

Работа выполнена за счет средств гранта Президента РФ № МК-7873.2016.3.

Литература

1. Li Y., Wang J., Li X., Geng D., Li R., Sun X. Chem. Commun. 2011. V. 47. P. 9438–9440.