Марсианский воздух стал топливом: изобретён аккумулятор будущего

Исследователи разработали усовершенствованную версию литий-углеродных аккумуляторов, которая может стать ключом к обеспечению энергией как марсианских миссий, так и земных технологий.

Эта инновация открывает новые горизонты для использования батарей в экстремальных условиях, таких как марсианская атмосфера, и одновременно предлагает экологичные решения для нашей планеты.

Космические агентства активно готовятся к отправке людей на Марс, где суровые условия — резкие перепады температур, радиация и атмосфера, состоящая на 95% из углекислого газа, — создают серьёзные вызовы для работы электроники.

Литий-углеродные батареи уже доказали свою перспективность, поскольку способны использовать углекислый газ из марсианской атмосферы в качестве активного компонента для накопления энергии. Однако до недавнего времени такие батареи страдали от низкой стабильности и недостаточной эффективности. Команда из Университета Суррея предложила решение, применив новый катализатор на основе фосфомолибдата цезия, который значительно улучшил характеристики батарей, увеличив их энергоёмкость и срок службы.

Принцип работы таких аккумуляторов основан на обратимой химической реакции между литием и углекислым газом. Во время разрядки ионы лития перемещаются через электролит от анода к катоду, где вступают во взаимодействие с углекислым газом, образуя карбонат лития и углерод, что сопровождается выделением электричества. При зарядке процесс идёт в обратном направлении: карбонат лития разлагается, высвобождая литий, который возвращается на анод, и углекислый газ, который может быть либо сохранён для дальнейшего использования, либо выпущен обратно в атмосферу.

Новый катализатор, разработанный в Суррее, решает сразу две ключевые проблемы. Во-первых, он снижает избыточное напряжение, необходимое для зарядки, с 1,4 В до 0,67 В, что делает процесс более энергоэффективным.

Во-вторых, благодаря своей пористой структуре катализатор обеспечивает оптимальные условия для формирования и разложения карбоната лития, что позволяет батарее выдерживать более 100 циклов зарядки-разрядки без значительного ухудшения характеристик. Исследователи отметили, что их разработка увеличила плотность энергии в 2,5 раза по сравнению с традиционными литий-ионными аккумуляторами, а также продемонстрировала высокую эффективность в лабораторных условиях.

Одним из главных преимуществ нового катализатора является его доступность. В отличие от дорогостоящих материалов, таких как платина или рутений, которые часто используются в подобных технологиях, фосфомолибдат цезия изготавливается из недорогих компонентов и не требует сложных условий производства. Это делает его перспективным для массового применения, особенно в условиях, где важна экономичность.

Помимо использования в космосе, такие батареи могут стать важным инструментом для борьбы с изменением климата на Земле. Они способны улавливать углекислый газ, превращая его в полезную энергию. По предварительным расчётам, один килограмм катализатора может поглотить до 18,5 кг углекислого газа, что делает технологию потенциальным решением для снижения выбросов от транспорта и промышленности.

Несмотря на достигнутые успехи, технология всё ещё нуждается в доработке. Исследователи подчеркнули, что для выхода на коммерческий рынок батареям необходимо выдерживать не менее 1000 циклов зарядки-разрядки, что значительно превышает текущие показатели.

В планах команды — дальнейшее совершенствование катализатора, включая испытания в различных условиях и поиск альтернативных материалов, которые могли бы повысить долговечность и эффективность системы. Упрощённая структура и использование доступных компонентов делают эту разработку перспективной для перехода от лабораторных экспериментов к реальному применению.

Уточнения

Марс — четвёртая по удалённости от Солнца и седьмая по размеру планета Солнечной системы.