2-D-materialer kan gøre det muligt for elektriske køretøjer at komme 500 miles på en enkelt opladning

Lithium-luft-batterier er klar til at blive den næste revolutionerende erstatning for aktuelt brugte lithium-ion-batterier, der driver elektriske køretøjer, mobiltelefoner og computere.

Lithium-luft batterier, som i øjeblikket stadig er i eksperimentelle udviklingsstadier, kan lagre 10 gange mere energi end lithium-ion-batterier, og de er meget lettere. Det sagt, lithium-luft-batterier kunne være endnu mere effektive og give mere opladning med inkorporering af avancerede katalysatorer lavet af todimensionelle materialer. Katalysatorer hjælper med at øge hastigheden af ​​kemiske reaktioner inde i batterier, og afhængigt af den type materiale, som katalysatoren er lavet af, de kan bidrage væsentligt til at øge batteriets evne til at holde og levere energi.

"Vi får brug for batterier med meget høj energitæthed til at drive nye avancerede teknologier, der er indbygget i telefoner, bærbare computere og især elektriske køretøjer, "sagde Amin Salehi-Khojin, lektor i maskin- og industriteknik i UIC's College of Engineering. Salehi-Khojin og hans kolleger syntetiserede flere 2-D materialer, der kan tjene som katalysatorer. En række af deres 2-D materialer, når de er inkorporeret i eksperimentelle lithium-luft-batterier som katalysator, gjorde det muligt for batteriet at holde op til 10 gange mere energi end lithium-luft-batterier, der indeholder traditionelle katalysatorer. Deres resultater er offentliggjort i tidsskriftet Avancerede materialer .

"I øjeblikket, elbiler kører i gennemsnit omkring 100 miles pr. opladning, men med inkorporering af 2-D-katalysatorer i lithium-luftbatterier, vi kunne yde tættere på 400 til 500 miles pr. opladning, hvilket ville være en rigtig game-changer, "sagde Salehi-Khojin, som også er den tilsvarende forfatter til avisen. "Dette ville være et kæmpe gennembrud inden for energilagring."

Salehi-Khojin og hans kolleger syntetiserede 15 forskellige typer 2-D overgangsmetal dichalcogenider eller TMDC'er. TMDC'er er unikke forbindelser, fordi de har høj elektronisk ledningsevne og hurtig elektronoverførsel, der kan bruges til at deltage i reaktioner med andre materialer, såsom de reaktioner, der finder sted inde i batterier under op- og afladning.

Forskerne undersøgte eksperimentelt ydeevnen af ​​15 TMDC'er som katalysatorer i et elektrokemisk system, der efterligner et lithium-luftbatteri.

"I deres 2-D form, disse TMDC'er har meget bedre elektroniske egenskaber og større reaktivt overfladeareal til at deltage i elektrokemiske reaktioner i et batteri, mens deres struktur forbliver stabil, " forklarede Leily Majidi, en kandidatstuderende ved UIC College of Engineering og førsteforfatter af papiret.

"Reaktionshastigheder er meget højere med disse materialer sammenlignet med konventionelle katalysatorer, der anvendes såsom guld eller platin, " sagde Majidi.

En af grundene til, at 2-D TDMC'erne klarede sig så godt, er, fordi de hjælper med at fremskynde både opladnings- og afladningsreaktioner, der forekommer i lithium-luftbatterier.

"Dette ville være det, der er kendt som bi-funktionalitet af katalysatoren, " sagde Salehi-Khojin.

2D-materialerne synergerer også med elektrolytten - det materiale, som ioner bevæger sig igennem under opladning og afladning.

"2-D TDMC'erne og den ioniske flydende elektrolyt, som vi brugte, fungerer som et co-katalysatorsystem, der hjælper elektronerne med at overføre hurtigere, fører til hurtigere opladninger og mere effektiv lagring og udledning af energi."

"Disse nye materialer repræsenterer en ny vej, der kan tage batterier til det næste niveau, vi skal bare udvikle måder at producere og tune dem mere effektivt og i større skalaer, " sagde Salehi-Khojin.