Ikke mere trial-and-error, når du vælger en elektrolyt til metal-luft-batterier

Metal-luft-batterier er blevet forfulgt som en efterfølger til lithium-ion-batterier på grund af deres exceptionelle gravimetriske energitætheder. De kunne potentielt gøre det muligt for elbiler at køre tusind miles eller mere på en enkelt opladning.

Et lovende nyt medlem af alkalimetal-luftbatterifamilien er kalium-luftbatteriet, som har mere end tre gange den teoretiske gravimetriske energitæthed af lithium-ion-batterier. En vigtig udfordring ved design af kalium-luft-batterier er at vælge den rigtige elektrolyt, væsken, der letter overførslen af ​​ioner mellem katoden og anoden.

Typisk, elektrolytter vælges ved hjælp af en trial-and-error tilgang baseret på tommelfingerregler, der korrelerer adskillige elektrolytegenskaber, efterfulgt af udtømmende (og tidskrævende) test af flere elektrolytkandidater for at se, om den ønskede ydeevne er opnået.

Forskere fra Washington University i St. Louis, ledet af Vijay Ramani, the Roma B. og Raymond H. Wittcoff Distinguished Professor of Environment &Energy ved McKelvey School of Engineering, har nu vist, hvordan elektrolytter til alkalimetal-luftbatterier kan vælges ved hjælp af en enkelt, parameter, der er let at måle.

Deres arbejde blev offentliggjort den 8. juli i Proceedings of the National Academy of Sciences .

Ramanis team undersøgte de grundlæggende vekselvirkninger mellem saltet og opløsningsmidlet i elektrolytten og viser, hvordan disse vekselvirkninger kan påvirke batteriets overordnede ydeevne. De udviklede en ny parameter, nemlig det "elektrokemiske" Thiele-modul, et mål for den lette iontransport til og reaktion ved en elektrodeoverflade.

Denne forskning dokumenterer første gang, at den nobelprisvindende Marcus-Hush-teori om elektronoverførsel er blevet brugt til at studere elektrolytsammensætningens indvirkning på ionernes bevægelse gennem elektrolytten, og deres reaktion ved overfladen af ​​elektroden.

Dette Thiele-modul viste sig at falde eksponentielt med stigende opløsningsmiddelreorganiseringsenergi - et mål for den energi, der er nødvendig for at modificere solvatiseringssfæren af ​​en opløst art. Dermed, opløsningsmidlets reorganiseringsenergi kunne bruges til rationelt at udvælge elektrolytter til højtydende metal-luft-batterier. Ikke mere trial-and-error.

"Vi startede ud med at forsøge bedre at forstå elektrolyttens indflydelse på iltreduktionsreaktionen i metal-luft batterisystemer, " sagde Shrihari Sankarasubramanian, en forsker på Ramanis hold og hovedforfatter af undersøgelsen.

"Vi endte med at vise, hvordan diffusionen af ​​ioner i elektrolytten og reaktionen af ​​disse ioner på elektrodeoverfladen begge er korreleret til den energi, der er nødvendig for at bryde solvatiseringsskallen omkring de opløste ioner."

"At vise, hvordan en enkelt parameter deskriptor af solvatiseringsenergien korrelerer med både iontransport og overfladereaktionskinetik, er et banebrydende fremskridt, " sagde Ramani. "Det vil give os mulighed for rationelt at udvikle nye højtydende elektrolytter til metal-luft-batterier."