Lithium-Air: een Batterijdoorbraak uitgelegd

Advertisment

in de zoektocht naar kleinere, meer krachtige batterijen hebben wetenschappers vele alternatieve benaderingen van batterijchemie geprobeerd. Eén heeft misschien de doorbraak opgeleverd waar we op wachten.de legende gaat dat er een klein lek was in een batterijcel die chemicus K. M. Abraham in 1995 in zijn laboratorium testte, waardoor de cel een veel hogere energie-inhoud had dan verwacht. In plaats van het lek te repareren, onderzocht Abraham de eerste oplaadbare lithium-air (Li-air) batterij. Tot nu toe heeft deze ontdekking niet geleid tot een technisch levensvatbare producten, maar een paper gepubliceerd in Science van een Universiteit van Cambridge onderzoeksgroep kan op het punt om dat te veranderen.in 2008 verbaasde Tesla industry watchers met zijn gedurfde, elektrische roadster-auto die op standaard lithium-ion (Li-ion)-batterijen reed, van smartphones tot laptops tot camera ‘ s en speelgoed. Sindsdien is niet alleen de markt voor elektrische voertuigen snel gegroeid, maar ook het gemiddelde bereik van de batterijen die ze aandrijven. Die groei moet echter versnellen: vanaf 1994 duurde het 20 jaar om de energie-inhoud van een typische Li-ion batterij te verdrievoudigen.het nieuwe onderzoek, geleid door de professoren Gunwoo Kim en Clare Grey, experimenteerde met Li-luchtcellen die alleen een elektronengeleider gebruiken, zoals lichtgewicht, poreuze koolstof, in plaats van een metaaloxide dat typisch wordt gebruikt in een Li-ion batterij. Praktisch gezien bespaart dit veel gewicht, maar brengt het zijn eigen problemen met zich mee.

hoe Lithium-luchtbatterijen werken

een Li-luchtcel creëert spanning uit de beschikbaarheid van zuurstofmoleculen (O2) bij de positieve elektrode. O2 reageert met de positief geladen lithiumionen om lithiumperoxide (Li2O2) te vormen en elektrische energie te genereren. Elektronen worden uit de elektrode getrokken en zo ‘ n batterij is leeg (ontladen) als er niet meer Li2O2 kan worden gevormd.

Advertisment

theoretisch is een Li-air-batterij leeg (ontladen) wanneer alle poriën van de positieve elektrode (rechts) zijn gevuld met lithiumperoxide, hier vullend van boven naar beneden. Auteur verstrekt

echter, Li2O2 is een zeer slechte elektronengeleider. Als er afzettingen van Li2O2 groeien op het elektrodeoppervlak dat de elektronen voor de reactie levert, dempt en doodt het uiteindelijk de reactie, en dus het vermogen van de batterij. Dit probleem kan worden opgelost als het reactieproduct (in dit geval lithiumperoxide) dicht bij de elektrode wordt opgeslagen, maar het niet bedekt.

Advertisment

De Onderzoekers van Cambridge vonden een recept dat precies dat doet-met behulp van een standaard elektrolytmengsel en het toevoegen van lithium-jodide (LI) als additief. Het experiment van het team omvat ook een nogal sponsachtige, pluizige elektrode gemaakt van vele dunne lagen grafeen gevuld met grote poriën. Het laatste belangrijke ingrediënt is een kleine hoeveelheid water.

bij deze combinatie van chemische stoffen vormt de reactie als de ontlading van de batterij niet de Li2O2 die het geleidende oppervlak van de elektrode zou omhoogschieten (zie onderstaande afbeelding, links). In plaats daarvan bevat het waterstof gestript uit het water (H2O) om lithiumhydroxide (LiOH) kristallen te vormen. Deze kristallen vullen de grootte van de poriën in de pluizige koolelektrode, maar cruciaal is dat ze niet coaten en blokkeren het vitale koolstofoppervlak dat de levering van spanning genereert (rechterkant). De aanwezigheid van lithiumjodide als “facilitator” (hoewel de exacte rol ervan nog niet duidelijk is) en water als co-reactant in het proces verhoogt dus de capaciteit van de Li-air batterij.

Advertisment

Li-luchtbatterijen met lithiumperoxide (links, blokkeert de koolelektrode) en lithiumhydroxide (rechts, met niet-geblokkeerde elektrode) als ontladingsproducten. Merk op dat de elektrode poriestructuur niet wordt getekend voor eenvoud. Auteur verstrekt

Hoe zal Li-Air dingen veranderen?

dit proces dat ervoor zorgt dat het elektrodeoppervlak helder blijft, is essentieel om de batterijcapaciteit te vergroten. Het nadeel is echter dat hetzelfde gebrek aan elektrisch contact tussen de elektrode en het ontladingsproduct dat de capaciteit verhoogt, het in principe moeilijk zou moeten maken om op te laden.

Advertisment

opnieuw blijkt het lithium-jodide-additief het ontbrekende ingrediënt te zijn: aan de elektrode worden negatief geladen jodide-ionen omgezet in I3 (triiodide) – ionen (zie afbeelding rechts). Deze combineren met de LiOH kristallen en lossen op, waardoor de poriën volledig worden opgeladen.

Oplaadbare Li-air-batterijen. Links: lithiumperoxide moet van het koolstofoppervlak worden verwijderd. Rechts: cyclus van jodide en triiodide, waar triiodide chemisch lithiumhydroxide oplost, waardoor de elementen worden vrijgemaakt zodat ze opnieuw kunnen worden gecombineerd om elektriciteit te produceren. Auteur verstrekt

Advertisment

In feite is dit mechanisme nog effectiever dan het opladen van Li2O2 aan het elektrodeoppervlak. Omdat de elektronen niet door een li2o2 laag hoeven te reizen, is minder spanning nodig om een Li-air batterij op te laden met het jodiumadditief dan zonder. Er is dus minder energie nodig om de accu op te laden, waardoor een elektrische auto die op zo ‘ n Li-air-accu draait energiezuiniger wordt. De auteurs van het onderzoek presenteren gegevens die een energie – efficiëntie van ongeveer 90% benaderen-waardoor deze nieuwe batterijtechnologie dicht bij die van conventionele Li-ion-batterijen komt.uit hun bevindingen blijkt een veelbelovende weg voorwaarts voor de Li-air-technologie, op een moment dat vele andere onderzoeksgroepen het hebben opgegeven. Naarmate meer onderzoekers na deze doorbraak op het onderwerp terugkomen, zal misschien eindelijk een commerciële Li-air batterij werkelijkheid worden.

Advertisment

Harry Hoster, directeur van Energy Lancaster en hoogleraar Fysische Chemie, Lancaster University

Dit artikel werd oorspronkelijk gepubliceerd over het gesprek. Lees het originele artikel.

Geef een antwoord

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd.