Bobler hjælper med at slå energilagringsrekord for lithium-luft-batterier

Ligner knækkede æggeskaller, grafenstrukturer bygget omkring bobler producerede et lithium-luftbatteri med den højeste energikapacitet til dato, ifølge forskere ved Pacific Northwest National Laboratory og Princeton University. Denne sorte, porøst materiale kunne erstatte de traditionelle glatte grafenplader i lithium-luft-batterier, som bliver tilstoppet med bittesmå partikler under brug. Som en ekstra bonus, holdets nye materiale er ikke afhængig af platin eller andre ædle metaller, reducere dens potentielle omkostninger og miljøpåvirkning.

"Denne hierarkiske struktur af selvsamlede grafenplader er et ideelt design, ikke kun til lithium-luftbatterier, men også til mange andre potentielle energianvendelser, " sagde Dr. Jie Xiao, materialeforskeren ved PNNL, der ledede undersøgelsen.

Lithium-luft-batterier kunne give mulighed for at skabe langdistance elektriske køretøjer, i stand til at rejse op til 300 miles mellem opladninger. Forholdsvis let, lithium-luft-batterier lider stadig af begrænset praktisk kapacitet og problemer med dårlig levetid. Imidlertid, denne undersøgelse viste, hvordan man maksimerer batteriernes kapacitet.

"Dette er afgørende for applikationer, herunder elbiler og energilagring, " sagde Dr. Jun Liu, en materialeforsker på undersøgelsen og direktør for PNNLs Transformational Materials Science Initiative, som finansierede forskningen.

Holdet begyndte med at kombinere et bindemiddel med grafen, en særlig form for kulstof. Bindemidlet spredte grafen i opløsning, ligesom sæbe spreder fedt i opvaskevand. Grafenen og bindemidlet blev derefter tilsat vand og blandet ved hjælp af en proces, der skabte bobler inde i opløsningen. Grafen og bindemiddel dannede og hærdede omkring boblerne. Da boblerne til sidst sprang, hule kugler af grafen blev efterladt. De små sorte partikler er kun 3 til 4 mikrometer i diameter, ti gange mindre end et menneskehår.

Bruger både modellering og mikroskopi, forskerne analyserede grafenstrukturerne og deres ydeevne. De udførte tæthedsfunktionsteoretiske beregninger på supercomputing-systemet ved National Energy Research Scientific Computing Center. De undersøgte partiklerne ved hjælp af elektronmikroskopi på Environmental Molecular Sciences Laboratory.

Forskerne fandt ud af, at de sorte porøse strukturer opbevarer mere end 15, 000 milliampere timer pr. gram grafen, hvilket gør det langt tættere med hensyn til energikapacitet end andre materialer.

"Mange katalysatorer studeres nu for denne teknologi. I vores proces valgte vi ikke at bruge ædelmetal, " sagde Dr. Ji-Guang Zhang, gruppelederen i PNNL's Li-air batteri forskning. "Dette vil i høj grad reducere produktionsomkostningerne og øge adopterbarheden."

Batteriet opnår de højeste niveauer af energikapacitet i et miljø med kun ilt. Ved drift i omgivende luft, kapaciteten falder, fordi vandet i luften tilsmudser lithiummetallet i batterierne. PNNL-teamet arbejder på at udvikle en membran til at blokere vandet og stadig tillade den nødvendige ilt at strømme

"Vi vil også gøre batteriet genopladeligt, " sagde Zhang. "Lige nu, det er ikke. Den er ikke fuldt genopladelig. Vi arbejder på en ny elektrolyt og en ny katalysator, så batteriet kan genoplades flere gange, potentielt til batteribackup-applikationer, der kræver høj energitæthed."