Forskere undersøger Li-air batteris reversibilitet på nanoskalaen

(Phys.org) - Som deres navn antyder, Li-luft batterier bruger luft til at drive, trække iltmolekyler ud til brug i en porøs, kulstofbaseret katode, mens du bruger lithium i anoden. Fordi brug af luft betyder, at batteriet ikke behøver at gemme en tung opladningskilde ved katoden, batterierne kan give en ekstremt høj energitæthed, holder næsten lige så meget energi i et givet volumen som benzin, og 5-10 gange mere end Li-ion batterier. På trods af denne store appel, Li-air batterier står stadig over for mange begrænsninger, der holder dem tilbage fra kommercialisering. I en ny undersøgelse, et team af forskere har tacklet en af ​​disse udfordringer:reversibilitet, hvilket er nødvendigt for at kunne genoplade batteriet flere gange.

Forskerne, Thomas Arruda, Amit Kumar, Sergei Kalinin, og Stephen Jesse ved Oak Ridge National Laboratory i Tennessee, har udgivet et papir i en nylig udgave af Nanoteknologi hvor de undersøger faktorer, der styrer reversibiliteten af ​​partikelvæksten på en elektrolyt, der ligger til grund for Li-air batterier og nanobatterier.

”Vi mener, at dette arbejde baner vej for at studere irreversibel eller kvasi-reversibel nanoskalaelektrokemi-i materialesystemer lige fra Li-air-batterier til mere etablerede felter såsom korrosion, galvanisering, og mange andre, ”Fortalte Kalinin Phys.org .

“Primære Li -batterier, som er ikke-genopladelige og engangsartikler, har høje energitætheder og har været kommercielt tilgængelige siden 1960'erne; imidlertid, de kan kun bruges én gang, ”Sagde Arruda. “For at disse celler skal være konkurrencedygtige, for eksempel, med fossile brændstoffer (dvs. bilapplikationer), de skal oplades hundredvis, hvis ikke tusinder, gange. Overvej den gennemsnitlige pendler tankning en gang om ugen. Dette svarer til mere end 500 fyldninger i løbet af et årti. Et bil-Li-luftbatteri ville skulle matche dette kriterium, selv uden at overveje omkostninger eller andre vigtige metrics. Faktisk, reversibilitet er stadig den vigtigste og vanskeligste opgave for Li-air batterier, som det fremgår af den intense kontrol af de førende batterieksperter. ”

Når et opladet Li-air batteri er i brug, Li -ionerne i anoden rejser til katoden, hvor de reagerer med ilt via en iltreduktionsreaktion. Elektronerne som følge af denne reaktion høstes derefter og bruges til at levere elektricitet til elektroniske enheder. For at genoplade batteriet, Li -ionerne skal rejse fra katoden tilbage til anoden. Som forskerne forklarer, grunden til, at det er så svært at gøre Li-air batterier genopladelige, er fordi batterierne kombinerer de vanskeligste processer, der bruges i både batterier og brændselsceller.

"Understøttende for disse processer er en overflod af ugunstige kemikalier, såsom den dårlige opløselighed af reaktionsprodukter (LiOx -arter), langsom reaktionskinetik, og tilbøjeligheden af ​​Li metal til at reagere ugunstigt med næsten alt, ”Sagde Jesse. "For anodens tilfælde, elektroaflejringen af ​​Li-ioner til metallisk Li foregår ofte med dannelsen af ​​nålelignende Li-partikler kaldet dendritter. Disse partikler påvirker batteriet negativt ved (1) at blive afbrudt fra anoden og dermed utilgængelig for at deltage i reaktionen og (2) øge risikoen for en intern kortslutning, som kan forårsage termisk løb og brand. Ved katoden, iltreduktionsreaktionen forbliver lige så stor en udfordring for Li-air batterier som for brændselsceller. Når de to reaktioner kombineres, de danner en blanding af uopløselige produkter, som er vanskelige at reagere omvendt og til sidst kvæler katoden. ”

I deres undersøgelse, forskerne brugte et atomkraftmikroskop (AFM) til at undersøge batteriets reversibilitet ved at analysere væksten af ​​Li -partikler. Mens du fejer forskydningen af ​​en 20-nm AFM-spids hen over overfladen af ​​en Li-ion ledende glaskeramisk elektrolyt, de målte ændringen i spidshøjde under cykelprocessen. De fandt ud af, at stigninger og fald i spidshøjden svarer til ændringer i strøm, giver dem mulighed for at demonstrere eksistensen af ​​reversibilitet samt kortlægge graden af ​​reversibilitet på forskellige steder.

I fremtiden, forskerne håber at forbedre reversibiliteten yderligere, og bemærk, at Li-air batterier stadig står over for mange andre udfordringer, før de kan blive kommercialiseret.

”Teknologisk udvikling og systemteknik på alle hovedkomponenter i Li-luftbatterier er påkrævet for at bringe denne teknologi på markedet, ”Sagde Kalinin. ”Bedre katalysatorer er nødvendige på katoden, Li -anodebeskyttelse uden funktionel hindring er fortsat altafgørende, og overlegne multifunktionelle elektrolytter har brug for udvikling. Den allestedsnærværende nødvendighed af at forstå grundlæggende processer på det mest grundlæggende niveau af de vigtigste batterikomponenter er fortsat en topprioritet. Først efter at der er opnået en omfattende forståelse af de elementære processer, kan kemi finjusteres og systemerne konstrueres korrekt til at opfylde de metrik, som applikationen kræver. ”

Hvis forskere kan overvinde disse udfordringer, Li-luft batterier kan potentielt lagre energi til en lang række anvendelser.

“Hvis Li-air batterier kunne realiseres, den primære applikation ville være til transport og andre situationer, hvor mobilitet er nødvendig (f.eks. bærbare computere, osv.), da de vil være meget lette i forhold til den mængde energi, de gemmer, ”Sagde Arruda. “Optimering af Li-air-batterier til at omfatte et stort antal opladnings-/afladningscyklusser vil reducere omkostningerne og gøre fuldt elektriske køretøjer til virkelighed uden behov for tunge batterier som den nuværende situation. Ud over dette, det er let at forestille sig, at denne teknologi (Li-air nanobatterier) anvendes på mikroelektromekaniske og nanoelektromekaniske systemer (MEMS og NEMS). Det kan være de ideelle systemer til at anvende sådanne energikilder, da de ville have meget lavere energibehov og kunne fungere i længere perioder. ”

Copyright 2012 Phys.Org
Alle rettigheder forbeholdes. Dette materiale må ikke offentliggøres, udsende, omskrevet eller omfordelt helt eller delvist uden udtrykkelig skriftlig tilladelse fra PhysOrg.com.