Nyt design producerer ægte lithium-luft batteri

Forskere ved University of Illinois i Chicago og ved Argonne National Laboratory har designet et nyt lithium-luftbatteri, der fungerer i et naturligt luftmiljø og stadig fungerer efter rekordstore 750 opladnings-/afladningscyklusser. Deres resultater er rapporteret i journalen Natur .

"Vores design med lithium-luftbatteri repræsenterer en revolution i batterisamfundet, "sagde Amin Salehi-Khojin, adjunkt i maskin- og industriteknik og medkorresponderende forfatter af papiret. "Denne første demonstration af et ægte lithium-luftbatteri er et vigtigt skridt i retning af det, vi kalder 'ud over lithium-ion'-batterier, men vi har mere arbejde at gøre for at kommercialisere det. "

Litiumluftbatterier-menes at kunne rumme op til fem gange mere energi end litiumionbatterierne, der driver vores telefoner, bærbare computere og elbiler - har været pirrende for batteriforskere i årevis. Men flere forhindringer har plaget deres udvikling.

Batterierne ville fungere ved at kombinere lithium til stede i anoden med ilt fra luften for at producere lithiumperoxid på katoden under afladningsfasen. Lithiumperoxidet vil blive nedbrudt i dets lithium- og iltkomponenter under ladningsfasen.

Desværre, eksperimentelle designs af sådanne lithium-luftbatterier har ikke været i stand til at fungere i et sandt naturligt luftmiljø på grund af oxidation af lithiumanoden og produktion af uønskede biprodukter på katoden, der skyldes lithiumioner kombineret med kuldioxid og vanddamp i luft. Disse biprodukter tyggegummi op til katoden, som til sidst bliver fuldstændig belagt og ude af stand til at fungere. Disse eksperimentelle batterier har baseret sig på tanke med rent ilt - hvilket begrænser deres anvendelighed og udgør alvorlige sikkerhedsrisici på grund af iltets brandbarhed.

"Et par andre har forsøgt at bygge lithium-luft battericeller, men de mislykkedes på grund af dårligt cykelliv, "sagde Larry Curtiss, medforfatter og Argonne Distinguished Fellow.

UIC-Argonne-forskerholdet overvandt disse udfordringer ved at bruge en unik kombination af anode, katode og elektrolyt-de tre hovedkomponenter i ethvert batteri-for at forhindre anodeoxidation og ophobning af batteridræbende biprodukter på katoden og lade batteriet fungere i et naturligt luftmiljø.

De dækkede lithiumanoden med et tyndt lag lithiumcarbonat, der selektivt tillader lithiumioner fra anoden at komme ind i elektrolytten, samtidig med at uønskede forbindelser forhindres i at nå anoden.

I et litium-luft batteri, katoden er simpelthen, hvor luften kommer ind i batteriet. I eksperimentelle designs af lithium-luftbatterier, ilt, sammen med alle de andre gasser, der danner luft, kommer ind i elektrolytten gennem en carbonbaseret svampet gitterstruktur.

Salehi-Khojin og hans kolleger belagde gitterstrukturen med en molybdendisulfatkatalysator og brugte en unik hybridelektrolyt fremstillet af ionisk væske og dimethylsulfoxid, en fælles komponent i batterielektrolytter, der hjalp med at lette lithium-oxygenreaktioner, minimere lithiumreaktioner med andre elementer i luften og øge batteriets effektivitet.

"Den komplette arkitektoniske eftersyn, vi udførte på dette batteri ved at redesigne alle dele af det, hjalp os med at aktivere de reaktioner, vi ønskede at forekomme og forhindre eller blokere dem, der i sidste ende ville få batteriet til at gå tør, "sagde Salehi-Khojin.

UIC -teamet byggede, testet, analyseret og karakteriseret battericellerne. Argonne -gruppen, sammen med kolleger ved UIC og California State University, udførte beregningsanalyserne.