Indsigt i reaktionsmekanismen for lithium-ilt-batterier kan føre til bedre batterier

Til lithium-oxygen batterisystemet, det er velkendt, at opladnings- og afladningsreaktionen producerer ejendommelige reaktionsproduktformer, der ligner donuts og balloner. Endnu, hvordan disse former dannes er forblevet et mysterium. En ny undersøgelse af et fungerende nano-lithium-ilt-batteri på atomær skala i en iltatmosfære giver spor til at løse dette mysterium.

Opdagelsen af ​​lithium-oxygen-reaktionsvejen sætter grundlaget for kvantitativ modellering af elektrokemiske processer i lithium-oxygen-systemet, giver indsigt i, hvordan man bedst designer lithium-ilt-batterier med høj kapacitet og længere levetid.

Lithium-oxygen batterisystemet er blevet opfattet som en muliggørende teknologi for den elektromotoriske industri. Imidlertid, fremskridt inden for forskning og udvikling af et lithium-ilt batteri er blevet alvorligt hæmmet af to ubesvarede spørgsmål. Først, hvad er den elektrokemiske reaktionsvej ved afladning og opladning af batteriet? Sekund, hvad er forholdet mellem reaktionsproduktets komplicerede former og reaktionsvejen? Svarene på disse to spørgsmål er grundlæggende, dog afgørende for udviklingen af ​​lithium-ilt-batterier.

For at afhjælpe denne videnskløft, et team af forskere fra Pacific Northwest National Laboratory; Tianjin Polytekniske Universitet i Kina; og EMSL, det miljømolekylære laboratorium, brugte avancerede in-situ billeddannelsesteknikker - det miljømæssige transmissionselektronmikroskop - på EMSL, en brugerfacilitet for Department of Energy Office of Science, at observere et nano-lithium-ilt batteri under op- og afladning. De fandt, at ilt reagerer med lithium på kulstofnanorør for at danne et metastabilt lithiumoxid.

Dette oxid omdannes til et mere stabilt lithiumoxid og frigiver iltgas, der udvider (puster) partikler til en hul struktur, producere donut- og ballonformer. Denne observation demonstrerer mere generelt, at måden, hvorpå det frigivne oxygen optages, styrer dannelsen af ​​reaktionsproduktets komplicerede morfologi i et lithium-oxygenbatteri. Resultaterne af dette arbejde besvarer ikke kun de to spørgsmål, der er skitseret ovenfor, men giver også indsigt i ion- og elektrontransport koblet med masseflow for lithium-iltbatteriet.