Vand-i-salt elektrolyt giver stabil katode til lithium-luft batteridrift

At udnytte den fulde elektrokemiske kraft af lithium-oxygen-batterier kræver en effektiv, mere stabil elektrolyt. Forskere fra Boston College har anvendt en "vand-i-salt"-elektrolyt, der muliggør stabil drift af lithium-luftbatterier, tilbyder overlegen lang cykluslevetid og præsenterer en platform, der flytter lithium-ion-batterier tættere på deres fulde potentiale, holdet rapporterer i journalen Chem .

I et forsøg på at finde et passende elektrolytsystem, holdets vand-i-salt tilgang involverer ingen organiske opløsningsmidler. Den består af superkoncentreret lithiumsalt, kendt som LiTFSI, hvor vandmolekyler låser sig fast på ionerne og oplever mindre nedbrydning, når de er i kontakt med iltmolekyler, ifølge forskerne, ledet af Boston College professor i kemi Dunwei Wang.

Resultatet er en "meget effektiv elektrolyt, der tillader stabil Li-O2-batteridrift på katoden med overlegen cykluslevetid, " holdet rapporterer i artiklen med titlen "Katodisk stabil Li-O2 batteridrift ved hjælp af vand-i-salt elektrolyt." Eksperimenter viste, at elektrolytten muliggør stabil lithium-luft batteridrift op til 300 cyklusser, gør det konkurrencedygtigt til praktiske anvendelser.

Lithium-ion-batterier fungerer ved reversibel indsættelse og ekstraktion af lithium-ioner ind i og fra et fast materiale, såsom koboltoxid. Her, lithium-luft-batterier fungerer ved at danne lithiumperoxid under afladning og nedbryde lithiumperoxid under genopladning.

På trods af mere end to årtiers forskning, forbedring af lithium-ion-batteriteknologi har ikke levet op til det teoretiske potentiale for energilagring. Som en elektrokemisk energilagringsteknologi, opgradering af ydeevne kræver forbedret stabilitet af elektrolytter.

Holdet fandt en vej rundt om problemet med ustabilitet, der opstår ved brug af vand i udviklingen af ​​vandige elektrolytter.

"Vi brugte en uortodoks tilgang med at bruge en vandbaseret elektrolyt til Li-O2-batterier, " sagde Wang. "Tidligere, vand blev anset for at være ekstremt dårligt for Li-O2-batteridrift, fordi det ville fremme parasitære kemiske reaktioner til betydeligt at underminere den ønskede kemi. Vi opdagede, at når saltkoncentrationen er høj, de fleste vandmolekyler kan låses ned, så de giver de rigtige funktionaliteter såsom ledningsevne, men udviser kun lidt af de parasitære kemiske reaktioner."

Holdet forsøgte at overvinde de begrænsninger, der har plaget tidligere bestræbelser på at tæmme de komplekse kemiske reaktioner inden for lithium-luft batteri prototyper, sagde Wang, som udførte projektet med Boston College-forskere Qi Dong, Xiahui Yao, Yanyan Zhao, Miao Qi, Xizi Zhang og Yumin He, og Hongyu Sun fra Danmarks Tekniske Universitet.

"Vi studerede et nyt koncept for Li-O2-batterier, " sagde Wang. "Vi brugte en kombination af elektrokemi og materialekarakteriseringsværktøjer til at udføre undersøgelsen. Vores mål er at muliggøre stabile, højtydende Li-O2 batteridrift."

Wang sagde, at forskerne næste gang vil forsøge at bygge videre på resultaterne for praktiske brændselscelleapplikationer og også arbejde på at reducere omkostningerne ved at producere elektrolytten.