Litowo-powietrzny: przełom akumulatorowy

Reklama

w poszukiwaniu mniejszych, trwalszych i mocniejszych akumulatorów naukowcy wypróbowali wiele alternatywnych podejść do chemii akumulatorów. Być może właśnie udało się stworzyć przełom, na który czekamy.

miejska legenda głosi, że w komórce akumulatora, którą chemik K M Abraham testował w swoim laboratorium w 1995 roku, doszło do niewielkiego wycieku, co zapewniło ogniwu znacznie wyższą zawartość energii niż oczekiwano. Zamiast próbować naprawić wyciek, Abraham zbadał i odkrył pierwszą akumulator litowo-powietrzny (Li-air). Do tej pory to odkrycie nie doprowadziło do żadnych technicznie wykonalnych produktów, ale artykuł opublikowany w Science z Grupy Badawczej Uniwersytetu w Cambridge może to zmienić.

w 2008 roku Tesla zadziwiła branżowych obserwatorów odważnym, elektrycznym samochodem Roadster, który działał na gotowych bateriach litowo-jonowych (Li-ion), takich, które zasilają wszystko, od smartfonów po laptopy, aparaty fotograficzne i zabawki. Od tego czasu rynek pojazdów elektrycznych szybko się rozrósł, podobnie jak przeciętny zasięg akumulatorów, które je zasilają. Jednak ten wzrost musi przyspieszyć: od 1994 roku potrojenie energii typowego akumulatora litowo-jonowego zajęło 20 lat.

nowe badania, prowadzone przez profesorów Gunwoo Kim i Clare Grey, eksperymentowały z ogniwami Li-air, które używają tylko przewodnika elektronowego, takiego jak Lekki, porowaty węgiel, zamiast tlenku metalu zwykle używanego w bateriach litowo-jonowych. Praktycznie rzecz biorąc, oszczędza to dużo wagi, ale przynosi własne trudności.

Jak działają baterie litowo-powietrzne

ogniwo Litowo-powietrzne wytwarza napięcie z dostępności cząsteczek tlenu (O2) na elektrodzie dodatniej. O2 reaguje z dodatnio naładowanymi jonami litu, tworząc nadtlenek litu (Li2O2) i generując energię elektryczną. Elektrony są wyciągane z elektrody i taki akumulator jest pusty (rozładowany), jeśli nie można utworzyć więcej Li2O2.

Reklama

teoretycznie Bateria Litowo-powietrzna jest pusta (rozładowana), gdy wszystkie pory elektrody dodatniej (po prawej stronie) są wypełnione nadtlenkiem litu, pokazanym tutaj wypełniając od góry do dołu.

jednak Li2O2 jest bardzo złym przewodnikiem elektronów. Jeśli osady Li2O2 rosną na powierzchni elektrody, która dostarcza elektrony do reakcji, tłumi się i ostatecznie zabija reakcję, a tym samym moc akumulatora. Problem ten można rozwiązać, jeśli produkt reakcji (w tym przypadku nadtlenek litu) jest przechowywany blisko elektrody, ale nie pokrywa jej.

badacze z Cambridge odkryli przepis, który robi dokładnie to – używając standardowej mieszaniny elektrolitów i dodając jodek litu (LI) jako dodatek. Eksperyment zespołu obejmuje również dość gąbczastą, puszystą elektrodę wykonaną z wielu cienkich warstw grafenu wypełnionych dużymi porami. Ostatnim ważnym składnikiem jest niewielka ilość wody.

z tą kombinacją substancji chemicznych, reakcja rozładowania akumulatora nie tworzy Li2O2, który wystrzeliwałby powierzchnię przewodzącą elektrody (patrz obrazek poniżej, po lewej stronie). Zamiast tego zawiera wodór odarty z wody (H2O), tworząc kryształy wodorotlenku litu (LiOH). Kryształy te wypełniają pory w puszystej elektrodzie węglowej, ale co najważniejsze, nie pokrywają się i nie blokują żywotnej powierzchni węgla, która generuje zasilanie napięciem (po prawej stronie). Tak więc obecność jodku litu jako “czynnika ułatwiającego” (choć jego dokładna rola nie jest jeszcze jasna) i wody jako współreaktora w procesie zwiększa Pojemność akumulatora Li-air.

akumulatory litowo-powietrzne z nadtlenkiem litu (po lewej, blokujące elektrodę węglową) i wodorotlenkiem litu (po prawej, z odblokowaną elektrodą) jako produktami wyładowczymi. Zauważ, że struktura porów elektrody nie jest narysowana dla uproszczenia. Autor:

jak Li-Air zmieni rzeczy?

ten proces, który zapewnia czystość powierzchni elektrody, jest niezbędny do zwiększenia pojemności akumulatora. Jednak wadą jest to, że ten sam brak kontaktu elektrycznego między elektrodą a produktem wyładowczym, który zwiększa jej pojemność, powinien zasadniczo utrudniać Ładowanie.

ponownie Okazuje się, że brakującym składnikiem jest dodatek jodku litu: na elektrodzie ujemnie naładowane jony jodku są przekształcane w jony i3 (trójjodkowe) (patrz rysunek, po prawej stronie). Łączą się one z Kryształami LiOH i rozpuszczają się, umożliwiając całkowite naładowanie poprzez oczyszczenie porów.

Ładowanie akumulatorów litowo-powietrznych. Po lewej: należy usunąć nadtlenek litu z powierzchni węgla. Po prawej: cykl jodku i trijodku, w którym trijodek chemicznie rozpuszcza wodorotlenek litu, uwalniając pierwiastki, dzięki czemu można je ponownie połączyć w celu wytworzenia energii elektrycznej. Autor poda

w rzeczywistości mechanizm ten jest jeszcze skuteczniejszy niż doładowanie Li2O2 przytwierdzone do powierzchni elektrody. Ponieważ elektrony nie muszą podróżować przez warstwę Li2O2, do naładowania akumulatora Li-air z dodatkiem jodu wymagane jest mniejsze napięcie niż bez niego. Tak więc do naładowania akumulatora potrzeba mniej energii, co sprawiłoby, że samochód elektryczny pracujący na takim akumulatorze litowo-powietrznym byłby bardziej energooszczędny. Autorzy badania przedstawiają dane, które zbliżają się do efektywności energetycznej na poziomie około 90% – co zbliża tę nową technologię do konwencjonalnych akumulatorów litowo-jonowych.

ich odkrycia ujawniają obiecującą drogę naprzód dla technologii Li-air, w czasie, gdy wiele innych grup badawczych zrezygnowało. W miarę jak coraz więcej badaczy wraca do tematu Po tym przełomie, być może komercyjna Bateria Litowo-powietrzna stanie się w końcu rzeczywistością.

Harry Hoster, dyrektor Energy Lancaster i profesor chemii fizycznej, Lancaster University

Przeczytaj oryginalny artykuł.

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany.