Litiu-aer: o descoperire a bateriei explicată

publicitate

în căutarea unor baterii mai mici, mai durabile și mai puternice, oamenii de știință au încercat multe abordări alternative la chimia bateriei. Se poate să fi produs descoperirea pe care o așteptăm.

legenda urbană este că a existat o mică scurgere într-o celulă de baterie pe care chimistul K M Abraham o testa în laboratorul său în 1995, care a furnizat celulei un conținut de energie mult mai mare decât se aștepta. În loc să încerce să remedieze scurgerea, Abraham a investigat și a descoperit prima baterie reîncărcabilă litiu-aer (Li-air). Până în prezent, această descoperire nu a dus la niciun produs viabil din punct de vedere tehnic, dar o lucrare publicată în Science de la un grup de cercetare al Universității din Cambridge ar putea fi pe cale să schimbe acest lucru.

în 2008, Tesla a uimit observatorii din industrie cu mașina sa îndrăzneață, electrică, care funcționa pe baterii litiu-ion (Li-ion), de tipul celor care alimentează totul, de la smartphone-uri la laptopuri la camere și jucării. De atunci, nu numai că piața vehiculelor electrice a crescut rapid, dar și gama medie a bateriilor care le alimentează. Cu toate acestea, această creștere trebuie să accelereze: din 1994 a fost nevoie de 20 de ani pentru a tripla conținutul de energie al unei baterii tipice Li-ion.noua cercetare, condusă de profesorii Gunwoo Kim și Clare Grey, a experimentat cu celule Li-air care folosesc doar un conductor de electroni, cum ar fi carbonul ușor, poros, în loc de un oxid metalic utilizat de obicei într-o baterie Li-ion. Practic vorbind, acest lucru economisește multă greutate, dar aduce propriile dificultăți.

cum funcționează bateriile litiu-aer

o celulă Li-aer creează tensiune din disponibilitatea moleculelor de oxigen (O2) la electrodul pozitiv. O2 reacționează cu ionii de litiu încărcați pozitiv pentru a forma peroxid de litiu (Li2O2) și pentru a genera energie electrică. Electronii sunt extrași din electrod și o astfel de baterie este goală (descărcată) dacă nu se mai poate forma Li2O2.

publicitate

teoretic, o baterie Li-air este goală (descărcată) când toți porii electrodului pozitiv (partea dreaptă) sunt umpluți cu peroxid de litiu, prezentat aici umplând de sus în jos. Autor cu condiția

cu toate acestea, Li2O2 este un conductor de electroni foarte rău. Dacă depozitele de Li2O2 cresc pe suprafața electrodului care furnizează electronii pentru reacție, acesta amortizează și, în cele din urmă, ucide reacția și, prin urmare, puterea bateriei. Această problemă poate fi depășită dacă produsul de reacție (peroxidul de litiu în acest caz) este stocat aproape de electrod, dar nu îl acoperă.

publicitate

cercetătorii de la Cambridge au găsit o rețetă care face exact asta – folosind un amestec standard de electroliți și adăugând iodură de litiu (LI) ca aditiv. Experimentul echipei include, de asemenea, un electrod destul de spongios, pufos, format din multe straturi subțiri de grafen umplute cu pori mari. Ultimul ingredient important este o cantitate mică de apă.

cu această combinație de substanțe chimice, reacția pe măsură ce bateria se descarcă nu formează Li2O2 care ar arunca suprafața conductoare a electrodului (vezi imaginea de mai jos, partea stângă). În schimb, încorporează hidrogen dezbrăcat din apă (H2O) pentru a forma cristale de hidroxid de litiu (LiOH). Aceste cristale umple dimensiunea porilor din electrodul de carbon pufos, dar în mod crucial nu acoperă și blochează suprafața vitală de carbon care generează alimentarea cu tensiune (partea dreaptă). Deci, prezența iodurii de litiu ca “facilitator” (deși rolul său exact nu este încă clar) și a apei ca co-reactant în proces crește capacitatea bateriei Li-air.

publicitate

baterii Li-air cu peroxid de litiu (stânga, blocând electrodul de carbon) și hidroxid de litiu (dreapta, cu electrodul deblocat) ca produse de descărcare. Rețineți că structura porilor electrodului nu este desenată pentru simplitate. Autor cu condiția

cum Li-Air schimba lucrurile?

acest proces care asigură menținerea clară a suprafeței electrodului este esențial pentru creșterea capacității bateriei. Cu toate acestea, dezavantajul este că aceeași lipsă de contact electric între electrod și produsul de descărcare care îi sporește capacitatea ar trebui, în principiu, să îngreuneze reîncărcarea.

publicitate

Din nou, se pare că aditivul de iodură de litiu este ingredientul lipsă necesar: la electrod, ionii de iodură încărcați negativ sunt transformați în ioni i3 (triiodură) (vezi imaginea, partea dreaptă). Acestea se combină cu cristalele LiOH și se dizolvă, permițând o reîncărcare completă prin curățarea porilor.

reîncărcarea bateriilor Li-air. Stânga: peroxidul de litiu trebuie îndepărtat de pe suprafața carbonului. Dreapta: ciclu de iodură și triiodură, unde triiodura dizolvă chimic hidroxidul de litiu, eliberând elementele astfel încât acestea să poată fi re-combinate din nou pentru a produce energie electrică. Autor cu condiția

publicitate

de fapt, acest mecanism este chiar mai eficient decât reîncărcarea Li2O2 atașat la suprafața electrodului. Deoarece electronii nu trebuie să călătorească printr-un strat Li2O2, este necesară o tensiune mai mică pentru a reîncărca o baterie Li-air cu aditivul de iod decât fără ea. Deci, este nevoie de mai puțină energie pentru a reîncărca bateria, ceea ce ar face o mașină electrică care rulează pe o astfel de baterie Li-air mai eficientă din punct de vedere energetic. Autorii studiului prezintă date care se apropie de o eficiență energetică de aproximativ 90% – ceea ce aduce această nouă tehnologie a bateriilor aproape de cea a bateriilor convenționale Li-ion.

descoperirile lor dezvăluie o cale promițătoare de urmat pentru tehnologia Li-air, într-un moment în care multe alte grupuri de cercetare au renunțat. Pe măsură ce mai mulți cercetători revin la subiect în urma acestei descoperiri, poate că o baterie comercială Li-air va deveni în cele din urmă realitate.

publicitate

Harry Hoster, Director de energie Lancaster și profesor de Chimie Fizică, Universitatea Lancaster

Acest articol a fost publicat inițial pe conversație. Citiți articolul original.

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată.