Stabiliserende molekyle kunne bane vej for lithium-luft brændselscelle

Lithium-ilt brændselsceller kan prale af energitæthedsniveauer, der kan sammenlignes med fossile brændstoffer og ses derfor som en lovende kandidat til fremtidige transportrelaterede energibehov.

Adskillige vejspærringer står i vejen for at realisere denne vision, imidlertid. De inkluderer dårlig genopladelighed, reduceret effektivitet på grund af høje overpotentialer (mere ladeenergi end afladningsenergi) og lav specifik energi.

To ustabiliteter bidrager til disse vejspærringer. Meget af det tidligere arbejde udført i Lynden Archers laboratorium, James A. Friend Family Distinguished Professor of Engineering ved Robert F. Smith School of Chemical and Biomolecular Engineering (CBE), har centreret sig om én:kernedannelse og vækst af dendritter fra den ene elektrode til den anden, som forårsager kortslutning, en kilde til for tidlig cellesvigt, der uvægerligt ender i brande.

Det er den anden ustabilitet – tabet af batteristrøm, også kendt som kapacitetsfade – det er fokus i laboratoriets seneste arbejde. Snehashis Choudhury, en ph.d.-studerende i Archer Research Group, har fundet frem til, hvad Archer betegner som et "genialt" svar på problemet med kapacitetsfade.

Deres arbejde er detaljeret beskrevet i "Designer interphases for lithium-oxygen electrochemical cell, " udgivet 21. april i Videnskabens fremskridt . Choudhury er co-first forfatter sammen med Charles Wan '17, hovedfag i kemiteknik.

Kapacitetsfading opstår, når elektrolytten, som transporterer ladede ioner fra den negative elektrode (anode) til den positive (katode), reagerer med elektroderne. "Det begynder at forbruge elektroderne, " Choudhury sagde. "Det danner mange isolerende produkter, der hindrer ion transport. Over tid, disse bygges op for at producere en så uoverkommelig intern cellemodstand, at batteriet til sidst falmer."

Problemet:Hvordan stopper man en elektrolyt-elektrodereaktion, når det er en anden nødvendig reaktion mellem de to – overførsel af ioner – der producerer kraft? Choudhurys løsning kaldes en kunstig fast-elektrolyt interfase (SEI), et materiale, der beskytter elektroderne og samtidig fremmer strømmen af ​​elektroner fra den ene ende af cellen til den anden.

"Sådanne interfaser dannes naturligt i alle elektrokemiske celler ... og deres kemo-mekaniske stabilitet er afgørende for succesen af ​​grafitanode i lithium-ion-batterier, " sagde Archer."

Choudhurys tilgang til at skabe en funktionel designer-interfase er baseret på bromidholdige ioniske polymerer (ionomerer), der selektivt binder til lithiumanoden for at danne en få nanometer tyk ledende belægning, der beskytter elektroden mod nedbrydning og falme. SEI-ionomererne udviser tre egenskaber, der tillader øget stabilitet under elektroaflejring:beskyttelse af anoden mod vækst af dendritter; reduktion-oxidations (redox) mediation, hvilket reducerer ladningsoverpotentialer; og dannelsen af ​​en stabil interfase med lithium, beskytter metallet og fremmer iontransport.

En udfordring eksisterer stadig:Alle elektrokemiske lithium-oxygenceller af forskningskvalitet evalueres ved hjælp af ren oxygen som det aktive katodemateriale. For et kommercielt levedygtigt lithium-ilt (eller lithium-luft, som det også er kendt) celle, det ville være nødvendigt at trække ilt ud af luften, og at oxygen også indeholder andre reaktive komponenter, såsom fugt og kuldioxid.

Hvis ineffektiviteten, der begrænser ydeevnen af ​​lithium-ilt brændselsceller, kan løses, de ekstraordinære energilagringsmuligheder, som cellekemien tilbyder, ville være et kæmpe skridt fremad for elektrificeret transport og et revolutionerende fremskridt for autonom robotteknologi, sagde Archer.

"Det er sigende fra observationer af de mest avancerede humanoide robotter, at de altid enten er bundet til et ultralangt elektrisk kabel eller bruger noget som en højlydt plæneklippermotor til at generere energi, " Archer sagde. "Enten energikilde kan sammenlignes dårligt med de levende systemer har udviklet - energilagringsteknologier såsom Li-air-celler, der udnytter materialer fra omgivelserne, lover at lukke dette hul."

Andre bidragydere var Lena Kourkoutis, assisterende professor og Rebecca Q. og James C. Morgan Sesquicentennial Faculty Fellow i anvendt og teknisk fysik; CBE ph.d.-studerende Wajdi Al Sadat; Sampson Lau, Ph.D. '16; Zhengyuan Tu, doktorand i materialevidenskab og teknik; og Michael Zachman, ph.d.-studerende i anvendt og teknisk fysik.

Archer bemærkede, at Wan og Lau byggede den elektrokemiske celle, herunder design af katodekonfigurationen, brugt i deres eksperimenter.

"Charles er en exceptionel bachelorstuderende, " Archer sagde. "Undergraduates er her primært for at fokusere på at få en førsteklasses uddannelse og har historisk set haft lidt tid til at udføre forskning. Men i stigende grad engagerer de sig i forskning, og på et niveau, der i nogle tilfælde kan sammenlignes med vores bedste ph.d. studerende."

"Jeg er virkelig heldig at have professor Archer som mentor, " sagde Wan. "Denne publikation er et bevis på, at studerende kan spille en afgørende rolle i forskning, hvis de får chancen, noget professor Archer helhjertet tror på."