д-р хим. наук, ведущий научный сотрудник
D.Sc. in Chemistry, Leading Researcher
д-р хим. наук, заведующий лабораторией «Электрокатализ»
D.Sc. in Chemistry, Head of Laboratory of Electrocatalysis
канд. физ.-мат. наук, доцент кафедры «Общая физика»
Ph.D. in Physics and Mathematics, Associate Professor at the General Physics department
д-р хим. наук, главный научн. сотр. лаборатории «Электрокатализ»
D.Sc. in Chemistry, Chief Researcherat Laboratory of Electrocatalysis
Анализируется характерная особенность процесса разряда литий-кислородного источника тока (ЛКИТ) с электролитом на основе апротонного растворителя, которая заключается в закупорке пор положительного электрода не растворимым в электролите и неэлектропроводным продуктом реакции – пероксидом лития, Li2O2. Данный продукт образуется в результате многостадийной реакции, происходящей в процессе восстановления кислорода в присутствии ионов лития. При обратном (анодном) процессе – заряде ЛКИТ – происходит разложение накопленного при разряде пероксида лития на ионы лития, молекулы кислорода и электроны. При проведении разряда ЛКИТ желательно получить по возможности большое количество Li2O2, однако Li2O2 «закрывает» поры катода, препятствует поступлению в них кислорода, что затрудняет его дальнейшую наработку. Как показывают расчеты, катодный процесс разряда удается осуществить в основном в сравнительно тонком пористом слое, граничащем с газовой фазой. Поэтому, если не применять специальных мер, емкость, рассчитанная на квадратный сантиметр внешней поверхности катода, оказывается небольшой. Обычно при исследовании функционирования активного слоя катода выбирают для главной константы процесса заряда ЛКИТ – расход кислорода, который характеризуется параметром k, – одно определенное значение и работают с ним. В данной статье средствами компьютерного моделирования проводится варьирование параметра k в широких пределах. Показано, как при этом изменяются габаритные характеристики катода ЛКИТ. Объяснены причины происходящих в порах катода изменений. В результате проведенного исследования установлено, что с уменьшением константы k(что вело к снижению расхода кислорода, предназначенного для получения пероксида лития) и увеличением радиуса пор (при переходе от микропор к мезопорам) удельная емкость катода и количество накопленного Li2O2 уже не убывало, а возрастало.
The paper deals with a characteristic feature of the discharge process of the cathode of a lithium-oxygen current source (LOCS) with the electrolyte based of a nonaqueous solvent, which is the clogging the positive electrode pores with the insoluble electrolyte and nonconductive reaction product, lithium peroxide Li2O2. Lithium peroxide is formed in a multistage complex reaction occurring in the course of oxygen reduction. In the reverse process, i.e., anodic LOCS charging, lithium peroxide accumulated in the course of discharge is decomposed with formation of lithium ions, oxygen molecules, and electrons. It is advisable to obtained as much as possible lithium peroxide during the LOCS discharge. However, it “clogs” the cathode pores, prevents the flow of oxygen into them, that, in turn, complicates the further lithium peroxide accumulation. Thus, the calculations show that the cathode discharge process can be mainly carried out only in a relatively thin porous layer bordering on the gas phase. Therefore, in the absence of special measures, the capacity calculated per square centimeter of the outer cathode surface is small. Usually, when the functioning of the active cathode layer is studied, a certain value is assumed for the oxygen consumption that is the main constant of the LOCS charging process (its value is characterized by parameter k). This paper uses computer simulation with variation of k in a wide range. The corresponding variation of the overall characteristics of the LOSC cathode is demonstrated. The causes of the changes in the cathode pores are explained. The study shows that a decrease in constant k (which lead to a decrease in consumption of oxygen intended for formation of Li2O2) and an increase in the pore radius (at a transition from micropores to mesopores) result in an increase in the specific cathode capacitance and the amount of lithium peroxide accumulated in the cathode and not in their decrease.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.