Neue Lithium-Luft-Batterie überlebt Hunderte von Fahrräder

Neue Lithium-Luft-Batterie übersteht Hunderte von ZyklenEnlargeTSA

Batterien liefern Elektronen, indem sie einer reversiblen Chemikalie ausgesetzt werden Reaktionen. Das bedeutet, dass alle Reaktanten im Inneren sein müssen die Batterie, die zu Gewicht und Volumen beiträgt. Lithium-Luft Batterien könnten diese Situation möglicherweise ändern. Um eins Elektrode, sie haben eher reines Lithiummetall als ein lithiumhaltige Chemikalie. Zum anderen reagiert das Lithium mit Sauerstoff in der Luft. Wenn der Akku geladen ist, ist diese Reaktion umgekehrt, und der Sauerstoff wird in unsere Atmosphäre zurückgeführt.

Mit viel weniger Chemikalien im Akku möglich, eine viel höhere Energiedichte zu erreichen – gab es schon Vorführungen von Lithium-Luft-Batterien mit einer Energiedichte von fünf mal so hoch wie die derzeitige Lithium-Ionen-Technologie. Der einzige Nachteil? Sie haben eine Lebensdauer von etwa einem Monat, zum Teil weil sowohl Sauerstoff als auch metallisches lithium ist ziemlich reaktiv und teilweise weil es luft bietet viele andere Dinge als Sauerstoff, die reagieren können.

Jetzt hat ein Forscherteam einen Weg zum Schutz gefunden gegen viele dieser Reaktionen und zeigte, dass die resultierende Batterie kann Hunderte von Lade- / Entladezyklen in einem überstehen luftähnliche Atmosphäre. Was wahrscheinlich bedeutet, dass die Forscher bereit sind um herauszufinden, was schief geht, wenn dieses Material auf tatsächliche Luft trifft. Die Hoffnung ist, dass das Problem leichter zu lösen sein wird.

Nebenreaktionen

Die Arbeit wurde von einer in den USA ansässigen Zusammenarbeit zwischen Wissenschaftlern geleistet und Argonne National Lab. Der Fokus lag auf dem Blockieren der sogenannten Nebenreaktionen oder chemische Reaktionen, die nicht zu der Reaktion beitragen Funktionsweise der Batterie und / oder Zerstörung einiger ihrer Komponenten. Diese können die Elektroden beeinflussen, das Lithium, das Ladung trägt, und der Elektrolyt, der es dem Lithium ermöglicht, zwischen dem Elektroden. Erschwerend kommt hinzu, dass Luft eine Vielzahl von Inhaltsstoffen enthält Chemikalien – Stickstoff, Sauerstoff, Wasser und mehr -, die potenziell eingesetzt werden können an diesen Nebenreaktionen teilnehmen.

Um sie einzuschränken, verwendeten die Forscher eine Kombination aus Computer Simulationen (unter Verwendung der Dichtefunktionaltheorie) und Gebäude-Ist Hardware. Zur Vereinfachung testeten sie die Hardware unter einem luftähnliche Atmosphäre mit realistischen Anteilen an Sauerstoff, Stickstoff, Kohlendioxid und Wasser, aber ohne weitere mögliche Komplikationen.

Das verwendete Batterie-Design hatte eine Lithium-Metall-Anode. Zu schützen, die Forscher beschichteten es mit Lithiumcarbonat, das war extrem einfach zu machen: sie liefen einfach ein paar Lade- / Entladezyklen unter einer reinen Kohlendioxidatmosphäre. Dies bildete ein dichtes Gitter von Kristallen auf der Oberfläche des Lithiums. und die Simulationen zeigten, dass diese Kristalle ausreichten, um Blockieren Sie den Transport von Sauerstoff, Kohlendioxid und Stickstoff. Bekommen Diese Moleküle jenseits dieser Barriere sind energieintensiv sorgt dafür, dass an der Anode keine Reaktionen stattfinden. Reaktionen mit Wasser ist auch energetisch ungünstig. Infolgedessen radeln die Batterie durch einen Lade- / Entladezyklus ergab 99,97 Prozent Das Lithium zur Anode, wo es begann.

Für den Elektrolyten verwendeten die Forscher eine Mischung aus organischen Stoffen Chemikalien, die in früheren Arbeiten nachgewiesen wurden (1-Ethyl-3-methylimidazoliumtetrafluorborat gemischt mit Dimethyl Sulfoxid). Dies erwies sich als großer Beitrag zur Stabilität der Batterie durch Dispergieren von Gas – oder Wassermolekülen endete darin aufgelöst. Die meisten Reaktionen mit der Batterie Komponenten benötigt zwei oder mehr Moleküle Wasser oder Kohlenstoff Dioxid, aber die Simulationen zeigten, dass der Elektrolyt gewährleistet ist dass typischerweise nur einzelne Moleküle zur Verfügung standen Oberflächen.

Warten auf Luft

Schließlich stellten die Forscher ihre Kathode aus Molybdän her Disulfid. Dieses Material bildet eine Oberfläche, die mit dem verträglich ist Produkt der Lithium-Sauerstoff-Reaktion, Li2O2, wodurch sich ein dünner Film bildet die Kathode. Dieser Film ist in Gegenwart von Wasser und Kohlenstoff inert Dioxyd, unerwünschte Reaktionen verhindernd. Auch wenn dieser Film ist dissoziiert in den Elektrolyten, reagiert nicht effizient mit das Wasser zerstreute sich dort.

Die resultierende Batterie zeigte ein stabiles Verhalten über Hunderte von Zyklen – die Autoren haben einen von 700 Zyklen fehlerfrei getestet. obwohl die potentielle Lücke allmählich von 1,3 V auf 1,6 V anstieg. Sie folgern, dass “die geschützte Lithiumanode, Elektrolytmischung, und Hochleistungsluftkathoden arbeiten alle in Synergie, um eine Lithium-Sauerstoff-Batterie mit langer Lebensdauer unter simulierter Luft Bedingungen.”

Das letzte Stück – die “simulierten Luftbedingungen” – ist eine Art kritisch. Es gibt keinen Grund, den die Forscher auch nicht hätten testete diese Batterie mit Luft und ohne Grund nicht habe die ergebnisse gemeldet wenn es gut gegangen war. Der Mangel an diesen Die Ergebnisse in der Veröffentlichung deuten darauf hin, dass es möglicherweise nicht so gut funktioniert hat wenn mit der tatsächlichen Luft präsentiert. Aber diese Arbeit hat sich eindeutig gelöst einige der größten und offensichtlichsten Probleme mit Lithium-Luft Batterien. Es besteht eine gute Chance, dass noch Probleme auftreten vergleichsweise gering.

Nature, 2017. DOI: 10.1038 / nature25984 (Über DOIs).

Like this post? Please share to your friends:
Leave a Reply

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: