Litium-luft: ett batteri genombrott förklarade

annons

i strävan efter mindre, längre, mer kraftfulla batterier har forskare försökt många alternativa metoder för batterikemi. Man kan ha just producerat det genombrott vi väntar på.

den urbana legenden är att det fanns en liten läcka i en battericell som kemisten K m Abraham testade i sitt laboratorium 1995, vilket gav cellen ett mycket högre energiinnehåll än förväntat. I stället för att försöka fixa läckan undersökte Abraham och upptäckte det första uppladdningsbara litium-air-batteriet (Li-air). Hittills har denna upptäckt inte lett till några tekniskt livskraftiga produkter, men ett papper publicerat i Science från en forskargrupp vid University of Cambridge kan vara på väg att ändra det.under 2008 förvånade Tesla branschvaktare med sin djärva, elektriska Roadsterbil som körde på litiumjonbatterier (Li-ion), den sort som driver allt från smartphones till bärbara datorer till kameror och leksaker. Sedan dess har inte bara marknaden för elfordon snabbt vuxit, men det har också det genomsnittliga utbudet av batterier som driver dem. Men den tillväxten måste accelerera: från 1994 tog det 20 år att tredubbla energiinnehållet i ett typiskt Li-ion-batteri.den nya forskningen, ledd av professorerna Gunwoo Kim och Clare Gray, experimenterade med Li-air-celler som endast använder en elektronledare, såsom lätt, poröst kol, istället för en metalloxid som vanligtvis används i ett Li-ion-batteri. Praktiskt taget sparar detta mycket vikt, men ger sina egna svårigheter.

hur litium-Luftbatterier fungerar

en Li-luftcell skapar spänning från tillgängligheten av syremolekyler (O2) vid den positiva elektroden. O2 reagerar med de positivt laddade litiumjonerna för att bilda litiumperoxid (Li2O2) och generera elektrisk energi. Elektroner dras ut ur elektroden och ett sådant batteri är tomt (urladdat) om inte mer Li2O2 kan bildas.

annons

teoretiskt sett är ett Li-air-batteri tomt (urladdat) när alla porer på den positiva elektroden (höger sida) är fyllda med litiumperoxid, som visas här fyllning från topp till botten. Författare som

Li2O2 är dock en mycket dålig elektronledare. Om avlagringar av Li2O2 växer på elektrodytan som levererar elektronerna för reaktionen, dämpar den och dödar så småningom reaktionen och därmed batteriets ström. Detta problem kan övervinnas om reaktionsprodukten (litiumperoxid i detta fall) lagras nära elektroden men inte täcker den.

annons

Cambridge-forskarna hittade ett recept som gör exakt det – med en vanlig elektrolytblandning och tillsätter litiumjodid (LI) som tillsats. Lagets experiment innehåller också en ganska svampig, fluffig elektrod gjord av många tunna lager av grafen fylld med stora porer. Den sista viktiga ingrediensen är en liten mängd vatten.

med denna kombination av kemikalier bildar reaktionen när batteriet urladdas inte Li2O2 som skulle ge upp elektrodens ledande yta (se bilden nedan, vänster sida). Istället innehåller den väte strippad från vattnet (H2O) för att bilda litiumhydroxid (LiOH) kristaller. Dessa kristaller fyller storleken på porerna i den fluffiga kolelektroden, men avgörande täcker de inte och blockerar den vitala kolytan som genererar spänningsförsörjningen (höger sida). Så närvaron av litiumjodid som “facilitator” (även om dess exakta roll ännu inte är klar) och vatten som samreaktant i processen ökar li-air-batteriets kapacitet.

annons

li-air-batterier med litiumperoxid (vänster, blockerar kolelektroden) och litiumhydroxid (höger, med elektrod oblockad) som urladdningsprodukter. Observera att elektrodporstrukturen inte är ritad för enkelhet. Författare förutsatt

hur kommer Li-Air ändra saker?

denna process som säkerställer att elektrodytan hålls klar är avgörande för att öka batterikapaciteten. Nackdelen är emellertid att samma brist på elektrisk kontakt mellan elektroden och urladdningsprodukten som ökar dess kapacitet i princip bör göra det svårt att ladda.

annons

återigen visar det sig att litiumjodidadditivet är den saknade ingrediensen som behövs: vid elektroden omvandlas negativt laddade jodidjoner till i3 (triiodid) joner (se bild, höger sida). Dessa kombineras med LiOH-kristallerna och löses upp, vilket möjliggör en fullständig laddning genom att rensa porerna.

ladda Li-air-batterier. Vänster: litiumperoxid måste avlägsnas från kolytan. Höger: cykel av jodid och triiodid, där triiodid kemiskt löser upp litiumhydroxid och frigör elementen så att de kan kombineras igen för att producera el. Författare tillhandahöll

annons

i själva verket är denna mekanism ännu effektivare än laddningen av Li2O2 fäst vid elektrodytan. Eftersom elektronerna inte behöver färdas genom ett Li2O2-lager krävs mindre spänning för att ladda ett Li-air-batteri med jodadditivet än utan det. Så mindre energi behövs för att ladda batteriet, vilket skulle göra en elbil som körs på ett sådant Li-air-batteri mer energieffektivt. Studiens författare presenterar data som närmar sig en energieffektivitet på cirka 90% – vilket ger denna nya batteriteknik nära den för konventionella Li-ion-batterier.

deras resultat avslöjar en lovande väg framåt för Li-air-tekniken, i en tid då många andra forskargrupper har gett upp. När fler forskare återvänder till ämnet efter detta genombrott, kanske ett kommersiellt Li-air-batteri äntligen blir verklighet.

annons

Harry Hoster, chef för Energy Lancaster och Professor i fysikalisk kemi, Lancaster University

denna artikel publicerades ursprungligen på konversationen. Läs den ursprungliga artikeln.

Lämna ett svar

Din e-postadress kommer inte publiceras.