Flydende mikroskopi teknik afslører nye problemer med lithium-oxygen batterier

Ved hjælp af en avanceret, ny mikroskopiteknik, der kan visualisere kemiske reaktioner, der opstår i flydende miljøer, forskere har opdaget en ny grund til, at lithium-oxygen-batterier-som lover op til fem gange mere energi end litium-ion-batterierne, der driver elektriske køretøjer og mobiltelefoner-har en tendens til at bremse og dø efter bare et par opladnings-/afladningscyklusser. De rapporterer deres fund i journalen Nano energi .

"Det, vi kunne se for første gang, er, at lithiumperoxid udvikler sig i den flydende elektrolyt af lithium-oxygen-batterier, og er medvirkende til, at disse batterier bremser og i sidste ende dør, "sagde Reza Shahbazian-Yassar, lektor i maskin- og industriteknik ved University of Illinois ved Chicago College of Engineering og hovedforfatter af papiret. "Dette er en nyopdaget grund til, at disse lovende batterier har et så kraftigt fald i effektivitet og ydelse efter relativt få opladnings-/afladningscyklusser."

Lithium-oxygen-batterier har i mange år fristet batteriforskere på grund af deres potentielle høje energitæthed. Men de har en tendens til at bremse og stoppe med at arbejde relativt hurtigt i forhold til andre batterier. En af årsagerne til dette tab af strøm er, at et biprodukt af de kemiske reaktioner, der finder sted inde i batteriet - lithiumperoxid - ophobes på batteriets elektroder. De overtrukne elektroder kan ikke længere fungere effektivt, og kemiske reaktioner, der producerer energi, stopper i sidste ende.

Men nu, Shahbazian-Yassar og hans kolleger, ved hjælp af en ny transmissionselektronmikroskopiteknik udviklet af UIC ingeniørstuderende Kun He og Yifei Yuan, har demonstreret på nanometer -niveau, at der også dannes lithiumperoxid i batteriets flydende elektrolytkomponent, yderligere bremsning af kemiske reaktioner.

"At vide, at lithiumperoxid bygger sig op i selve elektrolytten, er et meget vigtigt fund, "Sagde Shahbazian-Yassar." Nu, vi kan begynde at komme med ideer og designs, der enten forhindrer dette i at ske eller gør noget for at opretholde elektrolytens korrekte funktion, så det ikke forstyrrer batteriets drift, og vi kan bruge den nye flydende mikroskopi teknik til at se, om vi bevæger os i den rigtige retning. "

Indtil nu, lithium-oxygen batterier har kun eksisteret som laboratoriebaserede prototyper, med masseproducerede lithium-oxygen-batterier til offentlig eller kommerciel brug stadig langt væk, Sagde Shahbazian-Yassar. "Der er mange problemer, der skal løses med lithium-luftbatterier, før de kan komme i almindelig brug, men at vide præcist, hvad problemerne er, er et stort første skridt i retning af kommercialisering af disse ekstremt høje energitæthedsbatterier. "