Team observerer realtidsopladning af et lithium-luftbatteri

En af de mest lovende nye typer batterier til at drive elbiler kaldes et lithium-luftbatteri, som kunne lagre op til fire gange så meget energi per pund som nutidens bedste lithium-ion-batterier. Men fremskridtet har været langsomt:Arten af ​​de elektrokemiske reaktioner, når disse batterier oplades, er stadig dårligt forstået.

Forskere ved MIT og Sandia National Laboratories har brugt transmissionselektronmikroskop (TEM) billeddannelse til at observere, på molekylært niveau, hvad der foregår under en reaktion kaldet iltudvikling, når lithium-luft-batterier oplades; denne reaktion menes at være en flaskehals, der begrænser yderligere forbedringer af disse batterier. TEM-teknikken kan hjælpe med at finde måder at gøre sådanne batterier praktiske i den nærmeste fremtid.

Arbejdet er beskrevet i en Nano bogstaver papir af Robert Mitchell, som for nylig modtog en ph.d. i materialevidenskab og teknik fra MIT; maskiningeniør Ph.d.-studerende Betar Gallant; Carl Thompson, Stavros Salapatas professor i materialevidenskab og -teknik; Yang Shao-Horn, Gail E. Kendall lektor i maskinteknik og materialevidenskab og teknik; og fire andre forfattere.

Oxidation i aktion

De nye observationer viser, for første gang, oxidation af lithiumperoxid, materialet dannet under afladning i et lithium-luftbatteri. Ved høje opladningshastigheder, denne oxidation sker for det meste ved grænsen mellem lithiumperoxidet og kulstofsubstratet, som det vokser på under udledning - i dette tilfælde, flervæggede kulstof nanorør, der bruges i batterielektroden.

Begrænsningen til denne grænseflade, Shao-Horn siger, viser, at det er lithiumperoxids modstand mod en strøm af elektroner, der begrænser opladningen af ​​sådanne batterier under praktiske ladeforhold.

En elektrolytbelagt sondespids tjener som den modstående elektrode til fjernelse af lithiumioner under opladning, som elektroner strømmer gennem nanorørets ramme til det eksterne kredsløb. Under opladning, lithiumperoxidpartiklerne krymper begyndende ved nanorør-peroxidgrænsefladen, viser, at oxidation sker der, hvor det er lettest at fjerne elektroner.

"Lithiumtransporten kan følge med, "Shao-Horn siger, hvilket indikerer, at elektrontransport kan være en kritisk grænse for opladning af batterier til elektriske køretøjer.

Hurtigere opladning

Faktisk, hastigheden af ​​lithiumperoxidoxidation i disse eksperimenter var cirka 100 gange hurtigere end opladningstiden for lithium-luftbatterier i laboratorieskala, og nærmer sig, hvad der er nødvendigt for ansøgninger. Dette viser, at hvis disse batteriers elektronoverførselskarakteristika kan forbedres, det kunne give mulighed for meget hurtigere opladning og samtidig minimere energitab.

"Dette giver indsigt i, hvordan man designer luftelektroden, " siger Shao-Horn. "Så vidt vi ved, dette er det første direkte bevis på, at elektrontransport begrænser opladningen."

Gallant siger, at dette fund tyder på, at lithium-luft-batteriets ydeevne ville forbedres, hvis elektroderne havde en struktur med højt overfladeareal for at maksimere kontakten mellem lithiumperoxid og det kulstof, der kræves for at transportere elektroner væk under opladning.

Det "meget kritiske næste skridt, "Shao-Horn siger, vil være at måle faktiske strømme under opladning. Hendes team arbejder med forskere ved Sandia National Laboratories, hvoraf nogle var medforfattere til dette papir.

Jie Xiao, en forsker ved Pacific Northwest National Laboratory, som ikke var involveret i denne forskning, siger, "Dette arbejde har identificeret den vigtigste begrænsende betingelse, elektrontransport … giver et kritisk bidrag."

Xiao tilføjer, "Dette er et godt eksempel på, hvordan grundforskning markant kan forbedre vores forståelse for at løse udfordringer i praktiske enheder. Oplysningerne i denne artikel vil gavne det rationelle design af luftelektroden i lithium-luft-batterier. … Denne forskning er af høj kvalitet og vil tiltrække bred interesse."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.