Nanoteknologi giver et boost til næste generations batterier

Ikke-vandig lithium-ilt (Li – O ₂ ) batterier kunne lagre energi med tætheder, der konkurrerer med benzin. Kommercialisering af denne nye teknologi, imidlertid, vil kræve gennembrud, der gør det muligt at genoplade batterierne effektivt. Hye Ryung Byon og Eda Yilmaz ved RIKEN Byon Initiative Research Unit har taget et stort skridt mod dette mål ved at forbedre genopladningseffektiviteten af ​​Li-O markant. ₂ batterier gennem velovervejet anvendelse af katalytisk rutheniumoxid (RuO ₂ ) nanopartikler.

Li-O2-batterier eliminerer de tungmetaloxidkatoder, der bruges i konventionelle lithium-ion-batterier, for at lade lithium reagere direkte med atmosfærisk ilt på katoder lavet af lys, porøse materialer såsom kulstof nanorør. Når batteriet aflades, lithiumioner og oxygengas reagerer og danner lithiumperoxid (Li ₂ O ₂ ) krystaller på katoden. For at genoplade batteriet, den isolerende Li ₂ O ₂ krystaller skal nedbrydes - en reaktion, der kræver betydelige genopladningspotentialer, som kan forkorte batteriets levetid.

Byon og Yilmaz forsøgte at forbedre batteriets genopladningseffektivitet ved at tilføje RuO ₂ nanopartikler til kulstofnanorørs katoder. "RuO ₂ har en optimal overfladeenergi til iltadsorption og er en god katalysator for oxidationsreaktioner, "forklarer Yilmaz. Men fordi de fleste ruthenium-baserede katalyser udføres i vandige opløsninger, holdet måtte træde varsomt for at forstå, hvad der ville ske, når RuO ₂ var omgivet af solid Li ₂ O ₂ .

Eksperimenter afslørede, at den nye RuO2/carbon nanorør-komposit sænkede batteriets genopladningspotentiale betydeligt sammenlignet med katoder lavet af nanorør alene. For at forstå hvorfor, forskerne samarbejdede med Synchrotron Radiation Center ved Ritsumeikan University i Kyoto for at karakterisere udledningsprodukterne ved hjælp af en række teknikker, herunder røntgenabsorptionsspektroskopi og elektronmikroskopi. Disse test afslørede, at Li ₂ O ₂ indskud på RuO ₂ -Belastede nanorør havde en amorf morfologi helt ulig den, der ses i nogen anden Li-O ₂ batterisystem.

Elektronmikroskopibillederne viste, at Li ₂ O ₂ partikler, der dannedes på de nøgne nanorør-katoder, havde store, haloformede krystaller. På RuO ₂ /kulstof nanorør katoder, imidlertid, et formløst lag af Li ₂ O ₂ belagt hele nanorøret (fig. 1). Holdet bemærker, at dette Li2O2-lag har et stort kontaktområde med den ledende carbonnanorør-katode. Følgelig, Li ₂ O ₂ nedbrydning kan opnås med mindre energi, hvilket resulterer i forbedret batterieffektivitet.

"Dette er en af ​​de første undersøgelser, der viser, hvordan katalysatorer påvirker ikke-vandigt Li-O ₂ batterier; Indtil nu har der været lidt fokus på virkningen af ​​Li2O2-strukturen på batteriets ydeevne, " siger Byon. "Denne forskning kan fungere som en rettesnor for fremtidige alternative tilgange."