Hvordan elektroderne i lithium-luftbatterier bliver passiverede

Lithium-luft-batterier producerer strøm fra luft, og kaldes ofte lithium-oxygen batterier. De er meget lettere end lithium-ion-batterier på grund af højere energitæthed. Litium-luftbatterier har applikationer, herunder at øge rækkevidden af ​​elbiler på en enkelt opladning. Imidlertid, på trods af deres fordele, industriel produktion af lithium-luft-batterier hæmmes af grundlæggende problemer, som ikke kan overvindes i øjeblikket.

Artem Sergeev, en ph.d. studerende fra Institut for Polymer og Krystalfysik ved Lomonosov Moscow State University og en af ​​medforfatterne siger, "Et lithium-luft-batteri kunne potentielt have tre til fem gange mere specifik energi end moderne lithium-ion-batterier. Et af de største problemer med udviklingen af ​​lithium-luft-batterier er elektrodepassivering, som er overgangen af ​​elektrodematerialets overflade til en inaktiv tilstand. Vi har indhentet nye data vedrørende reaktionsmekanismen og foreslået nogle ideer til, hvordan man kan hæmme elektrodepassivering. Teknikken kunne bruges til mere passende opløsningsmidler, elektrolytter og elektrodematerialer."

Atmosfæren er en blanding af gasser, men der kræves ren ilt til driften af ​​lithium-luft-batterier. Kuldioxid og fugt i atmosfæriske gasser bremser redox reaktionerne bag batteridrift. Nogle skøn tyder på, at det vil tage fra fem til 10 år at overvinde disse forhindringer. Forskerne fra Lomonosov Moskva Statsuniversitet studerer processer, der forhindrer robust drift af lithium-luftbatterier.

Alexei Khokhlov, en af ​​forfatterne, siger, "Generelt, i tilfælde af succesfuld udarbejdelse, batteriet skal være lithium-luft, indebærer brug af miljøluft. Særlige membraner kunne adskille de uønskede atmosfæriske komponenter, herunder fugt og kuldioxid. Men pt. der er også mere grundlæggende problemer, og for at løse dem, vi bruger lithium-iltceller og leverer ren ilt fra gasflasker."

Katoden (en positiv elektrode) i et lithium-luftbatteri er repræsenteret af en porøs carbonsvamp, der indeholder elektrolytopløsningen med lithiumioner. Katoden har kontakt med det ydre gasmiljø, som er nødvendigt for at levere ilt til elektrolytten, som er en flydende ionleder. Forskerne simulerede grænsefladen mellem elektroden og elektrolytopløsningen ved katoden i et lithium-luftbatteri og tilbød en metode til at hæmme elektrodepassivering. Forskerne brugte supercomputerkomplekset ved Lomonosov Moskva Statsuniversitet til all-atom-simulering ved hjælp af molekylære dynamikmetoder.

Alexei Khokhlov siger, "Der er et stort antal parallelle processer og reaktioner, der forekommer ved katoden under lithium-luft batteridrift. Desværre, eksperimentel undersøgelse af de separate faser af disse processer viser sig ofte at være umulig, mens simulering af separate faser af reaktionerne ved hjælp af supercomputere gør det muligt at spore grundlæggende tendenser i de faser, vi studerer. "

Forskerne har fundet ud af, at reduktion af superoxidanioner, der fører til elektrodepassivering, først er mulig efter dens binding med lithiumkationer.

Alexei Khokhlov opsummerer:"Vi har forstået, at dannelsen af ​​ikke-ledende udladningsprodukter lige på elektrodeoverfladen (dens passivering) kun finder sted efter binding af et mellemprodukt (superoxidanion) med lithiumioner, som er stærkt koncentreret nær elektrodeoverfladen. Hvis du fortrænger dem, passivation vil ikke, sandsynligvis, fortsæt så hurtigt."