Kemikere får gennembrud på vejen til at skabe et genopladeligt lithium-oxygen-batteri

Kemikere fra University of Waterloo har med succes løst to af de mest udfordrende problemer omkring lithium-oxygen-batterier, og skabte i processen et fungerende batteri med næsten 100 procent coulombisk effektivitet.

Det nye værk, som vises i denne uge i Videnskab , viser, at fire-elektron-konvertering til lithium-oxygen-elektrokemi er meget reversibel. Teamet er det første til at opnå fire-elektron-konvertering, som fordobler elektronlageret af lithium-oxygen, også kendt som lithium-air, batterier.

"Der er begrænsninger baseret på termodynamik, "sagde Linda Nazar, Canada Research Chair for Solid State Energy Materials og seniorforfatter på projektet. "Alligevel, vores arbejde har taget fat på grundlæggende spørgsmål, som folk har forsøgt at løse i lang tid. "

Den høje teoretiske energitæthed af lithium-oxygen (Li-O ₂ ) batterier og deres relativt lette vægt har gjort dem til den hellige gral af genopladelige batterisystemer. Men mangeårige problemer med batteriets kemi og stabilitet har holdt dem en rent akademisk nysgerrighed.

To af de mere alvorlige spørgsmål involverer mellemproduktet i cellekemien (superoxid, LiO ₂ ) og peroxidproduktet (Li2O ₂ ) reagerer med den porøse carbonkatode, nedbryder cellen indefra. Ud over, superoxidet forbruger den organiske elektrolyt i processen, hvilket i høj grad begrænser cyklussen.

Nazar og hendes kolleger skiftede den organiske elektrolyt til et mere stabilt uorganisk smeltet salt og den porøse carbonkatode til en bifunktionel metaloxidkatalysator. Derefter ved at betjene batteriet ved 150 C, de fandt ud af, at det mere stabile produkt Li2O dannes i stedet for Li2O ₂ . Dette resulterer i et meget reversibelt Li-oxygen batteri med coulombisk effektivitet, der nærmer sig 100 procent.

Ved at gemme O ₂ som lithiumoxid (Li2O) i stedet for lithiumperoxid (Li2O ₂ ), batteriet bevarede ikke kun fremragende ladeegenskaber, det opnåede den maksimale fire-elektron overførsel i systemet, derved øger den teoretiske energilagring med 50 pct.

"Ved at udskifte elektrolytten og elektrodeværten og hæve temperaturen, vi viser, at systemet fungerer bemærkelsesværdigt godt, sagde Nazar, som også er universitetsforskningsprofessor ved Institut for Kemi i Waterloo.