Lítium-levegő: az akkumulátor áttörése magyarázható

reklám

a kisebb, hosszabb élettartamú, erősebb akkumulátorok keresése során a tudósok számos alternatív megközelítést kipróbáltak az akkumulátor kémiájára. Az egyik talán épp most hozta meg az áttörést, amire várunk.

a városi legenda szerint volt egy kis szivárgás egy akkumulátorcellában, amelyet K. M. Abraham kémikus 1995-ben tesztelt laboratóriumában, amely a sejtnek a vártnál jóval magasabb energiatartalmat biztosított. Ahelyett, hogy megpróbálta volna kijavítani a szivárgást, Abraham megvizsgálta és felfedezte az első újratölthető lítium-levegő (Li-air) akkumulátort. Eddig ez a felfedezés nem vezetett technikailag életképes termékekhez, de a Cambridge-i Egyetem Kutatócsoportjának Science-ben megjelent tanulmánya megváltoztathatja ezt.

2008-ban a Tesla lenyűgözte az ipari nézőket merész, elektromos Roadster autójával, amely a polcon lévő lítium-ion (Li-ion) akkumulátorokkal működött, az a fajta, amely az okostelefonoktól a laptopokon át a kamerákig és a játékokig mindent táplál. Azóta nemcsak az elektromos járművek piaca gyorsan növekedett, hanem az őket működtető akkumulátorok átlagos hatótávolsága is. Ennek a növekedésnek azonban fel kell gyorsulnia: 1994-től 20 évbe telt egy tipikus Li-ion akkumulátor energiatartalmának megháromszorozódása.az új kutatás Gunwoo Kim és Clare Grey professzorok vezetésével olyan Li-air cellákkal kísérletezett, amelyek csak egy elektronvezetőt, például könnyű, porózus szenet használnak a jellemzően Li-ion akkumulátorokban használt fém-oxid helyett. Gyakorlatilag ez sok súlyt takarít meg, de saját nehézségeket okoz.

hogyan működnek a lítium-levegő akkumulátorok

A Li-air cella feszültséget hoz létre az oxigénmolekulák (O2) rendelkezésre állásából a pozitív elektródon. Az O2 a pozitív töltésű lítiumionokkal reakcióba lépve lítium-peroxidot (Li2O2) képez és elektromos energiát termel. Elektronok húzódnak ki az elektródából, és egy ilyen akkumulátor lemerül (lemerül), ha több Li2O2 nem képződik.

reklám

elméletileg a Li-air akkumulátor üres (lemerült), ha a pozitív elektróda (jobb oldali) összes pórusa lítium-peroxiddal van feltöltve, itt látható töltés fentről lefelé. Szerző feltéve

a Li2O2 azonban nagyon rossz elektronvezető. Ha Li2O2 lerakódások nőnek az elektród felületén, amely ellátja az elektronokat a reakcióhoz, akkor tompítja és végül megöli a reakciót, és ezáltal az akkumulátor energiáját. Ez a probléma megoldható, ha a reakcióterméket (ebben az esetben a lítium-peroxidot) az elektróda közelében tárolják, de nem vonják be.

reklám

a Cambridge – i kutatók találtak egy receptet, amely pontosan ezt teszi-standard elektrolit keveréket használva és lítium-jodid (LI) hozzáadásával adalékként. A csapat kísérlete magában foglal egy meglehetősen szivacsos, bolyhos elektródot is, amely sok vékony grafénrétegből készül, nagy pórusokkal töltve. Az utolsó fontos összetevő kis mennyiségű víz.

ezzel a vegyszerkombinációval az akkumulátor lemerülésével járó reakció nem képezi az Li2O2-t, amely az elektróda vezető felületét felemelné (lásd az alábbi képet, bal oldalon). Ehelyett a vízből leválasztott hidrogént (H2O) tartalmaz lítium-hidroxid (LiOH) kristályok képződéséhez. Ezek a kristályok kitöltik a pórusok méretét a bolyhos szénelektródában, de alapvetően nem fedik le és blokkolják a létfontosságú szénfelületet, amely a feszültségellátást generálja (jobb oldali). Tehát a lítium-jodid mint “facilitátor” (bár pontos szerepe még nem egyértelmű) és a víz, mint Ko-reagens jelenléte a folyamatban növeli a Li-air akkumulátor kapacitását.

reklám

li-air akkumulátorok lítium-peroxiddal (balra, blokkolva a szénelektródát) és lítium-hidroxiddal (jobbra, az elektróda feloldva), mint kisülési termékek. Vegye figyelembe, hogy az elektróda pórusszerkezete nem az egyszerűség kedvéért készült. Szerző feltéve

hogyan fogja a Li-Air megváltoztatni a dolgokat?

Ez a folyamat, amely biztosítja az elektróda felületének tisztán tartását, elengedhetetlen az akkumulátor kapacitásának növeléséhez. Hátránya azonban, hogy az elektróda és a kisülési termék közötti elektromos érintkezés hiánya, amely növeli annak kapacitását, elvileg megnehezíti az újratöltést.

reklám

ismét kiderül, hogy a lítium-jodid adalékanyag a hiányzó összetevő: az elektródnál a negatív töltésű jodidionok I3 (trijodid) ionokká alakulnak (lásd a képet, jobb oldalon). Ezek kombinálódnak a LiOH kristályokkal és feloldódnak, lehetővé téve a teljes feltöltést a pórusok tisztításával.

li-air akkumulátorok újratöltése. Balra: a lítium-peroxidot el kell távolítani a szén felületéről. Jobbra: a jodid és a trijodid ciklusa, ahol a trijodid kémiailag feloldja a lítium-hidroxidot, felszabadítva az elemeket, így újra összekapcsolhatók, hogy villamos energiát termeljenek. Szerző feltéve

reklám

valójában ez a mechanizmus még hatékonyabb, mint a li2o2 újratöltése az elektróda felületéhez. Mivel az elektronoknak nem kell áthaladniuk egy Li2O2 rétegen, kevesebb feszültségre van szükség a Li-air akkumulátor feltöltéséhez a jódadalékkal, mint nélküle. Tehát kevesebb energiára van szükség az akkumulátor feltöltéséhez, ami egy ilyen Li-air akkumulátorral működő elektromos autót energiahatékonyabbá tenné. A tanulmány szerzői olyan adatokat mutatnak be, amelyek megközelítik a 90% – os energiahatékonyságot-EZ az új akkumulátor-technológia közel áll a hagyományos Li-ion akkumulátorokhoz.

eredményeik ígéretes utat tárnak fel a Li-air technológia számára, amikor sok más kutatócsoport feladta. Ahogy egyre több kutató tér vissza a témához ezt az áttörést követően, talán egy kereskedelmi Li-air akkumulátor végre valósággá válik.

reklám

Harry Hoster, az Energy Lancaster igazgatója és a Lancaster Egyetem Fizikai kémia professzora

Ez a cikk eredetileg a The Conversation oldalon jelent meg. Olvassa el az eredeti cikket.

Vélemény, hozzászólás?

Az e-mail-címet nem tesszük közzé.