Lithium-Air: et batteri gennembrud forklaret

reklame

i søgen efter mindre, længerevarende, mere kraftfulde batterier har forskere forsøgt mange alternative tilgange til batterikemi. Man har måske lige produceret det gennembrud, vi venter på.bylegenden er, at der var en lille lækage i en battericelle, som kemiker K M Abraham testede i sit laboratorium i 1995, hvilket gav cellen et langt højere energiindhold end forventet. I stedet for at forsøge at løse lækagen undersøgte Abraham og opdagede det første genopladelige lithium-air (Li-air) batteri. Indtil videre har denne opdagelse ikke ført til nogen teknisk levedygtige produkter, men et papir offentliggjort i Science fra en forskningsgruppe fra University of Cambridge kan være ved at ændre det.

i 2008 overraskede Tesla industriens seere med sin dristige, elektriske Roadster-bil, der kørte på lithium-ion-batterier (Li-ion), den slags, der driver alt fra smartphones til bærbare computere til kameraer og legetøj. Siden da er markedet for elektriske køretøjer ikke kun vokset hurtigt, men det har også det gennemsnitlige interval for de batterier, der driver dem. Denne vækst skal dog accelerere: fra 1994 tog det 20 år at tredoble energiindholdet i et typisk Li-ion-batteri.den nye forskning, ledet af professorerne Kim og Clare Grey, eksperimenterede med Li-air-celler, der kun bruger en elektronleder, såsom let, porøst kulstof, i stedet for et metalfilter, der typisk bruges i et Li-ion-batteri. Praktisk set sparer dette meget vægt, men bringer sine egne vanskeligheder.

Sådan fungerer Lithium-Air-batterier

en Li-air-celle skaber spænding ud fra tilgængeligheden af iltmolekyler (O2) ved den positive elektrode. O2 reagerer med de positivt ladede lithiumioner for at danne lithiumoverilte (Li2O2) og generere elektrisk energi. Elektroner trækkes ud af elektroden, og et sådant batteri er tomt (afladet), hvis der ikke kan dannes mere Li2O2.

reklame

teoretisk er et Li-air-batteri tomt (afladet), når alle porer i den positive elektrode (højre side) er fyldt med lithiumoverilte, vist her påfyldning fra top til bund. Forfatter forudsat

Li2O2 er dog en meget dårlig elektronleder. Hvis aflejringer af Li2O2 vokser på elektrodeoverfladen, der leverer elektronerne til reaktionen, dæmper den og dræber til sidst reaktionen, og derfor batteriets strøm. Dette problem kan overvindes, hvis reaktionsproduktet (lithiumoverilte i dette tilfælde) opbevares tæt på elektroden, men ikke belægger det.

reklame

Cambridge – forskerne fandt en opskrift, der gør netop det-ved hjælp af en standard elektrolytblanding og tilsætning af lithiumiodid (LI) som tilsætningsstof. Holdets eksperiment inkluderer også en temmelig svampet, fluffy elektrode lavet af mange tynde lag grafen fyldt med store porer. Den sidste vigtige ingrediens er en lille mængde vand.

med denne kombination af kemikalier danner reaktionen, når batteriet aflades, ikke den Li2O2, der ville sprænge elektrodens ledende overflade (se billedet nedenfor, venstre side). I stedet inkorporerer det brint strippet fra vandet (H2O) for at danne lithiumhydroksid (LiOH) krystaller. Disse krystaller fylder porernes størrelse i den fluffy carbonelektrode, men afgørende dækker de ikke og blokerer den vitale carbonoverflade, der genererer spændingsforsyningen (højre side). Så tilstedeværelsen af lithiumiodid som “facilitator” (selvom dens nøjagtige rolle endnu ikke er klar) og vand som co-reaktant i processen øger Li-air-batteriets kapacitet.

reklame

Li-luftbatterier med lithiumoverilte (venstre, blokering af carbonelektroden) og lithiumhydroksid (højre, med elektrode blokeret) som afladningsprodukter. Bemærk, at elektrodeporestrukturen ikke er tegnet for enkelhed. Forfatter forudsat

hvordan vil Li-Air ændre tingene?

denne proces, der sikrer, at elektrodeoverfladen holdes klar, er afgørende for at øge batterikapaciteten. Ulempen er imidlertid, at den samme mangel på elektrisk kontakt mellem elektroden og udladningsproduktet, der øger dens kapacitet, i princippet skal gøre det vanskeligt at genoplade.

reklame

igen viser det sig, at lithiumiodidadditivet er den manglende ingrediens, der er nødvendig: ved elektroden omdannes negativt ladede iodidioner til i3 (triiodid) ioner (se billede, højre side). Disse kombineres med LiOH-krystallerne og opløses, hvilket giver mulighed for en komplet genopladning ved at rydde porerne.

genopladning af Li-air batterier. Til venstre: lithiumoverilte skal fjernes fra kulstofoverfladen. Til højre: cyklus af iodid og triiodid, hvor triiodid kemisk opløser lithiumhydroksid, frigør elementerne, så de kan kombineres igen for at producere elektricitet. Forfatter forudsat

reklame

faktisk denne mekanisme er endnu mere effektiv end genopladning af Li2O2 fastgjort til elektroden overflade. Da elektronerne ikke behøver at rejse gennem et Li2O2-lag, kræves der mindre spænding for at genoplade et Li-air-batteri med jodadditivet end uden det. Så mindre energi er nødvendig for at genoplade batteriet, hvilket ville gøre en elbil, der kører på et sådant Li-air-batteri, mere energieffektivt. Undersøgelsens forfattere præsenterer data, der nærmer sig en energieffektivitet på omkring 90% – hvilket bringer denne nye batteriteknologi tæt på konventionelle Li-ion-batterier.

deres resultater afslører en lovende vej frem for Li-air-teknologi på et tidspunkt, hvor mange andre forskningsgrupper har givet op. Efterhånden som flere forskere vender tilbage til emnet efter dette gennembrud, vil måske et kommercielt Li-air-batteri endelig blive virkelighed.

reklame

Harry Hoster, direktør for Energy Lancaster og Professor i fysisk kemi, Lancaster University

denne artikel blev oprindeligt offentliggjort på The Conversation. Læs den oprindelige artikel.

Skriv et svar

Din e-mailadresse vil ikke blive publiceret.