Neue solide Lithiumbatterie: Verlust von 2% der 120-fachen Lade- und Entladekapazität mit Selbstladefunktion

Lithium-Luft-Batterien bieten mehr Leistung bei gleichem Gewicht und werden daher häufig in Elektrofahrzeugen und anderen mobilen elektronischen Geräten verwendet. Lithium-Luft-Batterien haben jedoch viele Nachteile: hohe Wärme (eine große Menge chemischer Energie wird in Wärmeenergie umgewandelt und nicht an Geräte abgegeben), kurze Lebensdauer, teure und komplexe Herstellungsprozesse (das Laden von Luft in die Batterie erfordert teure Geräte sehr lästig).

Kürzlich schrieben Liju, Professor für Nukleartechnik am Massachusetts Institute of Technology, und Zhuzhi und fünf weitere Autoren, die am MIT, am Argonne National Laboratory und an der Peking University arbeiten, in der Zeitschrift Nature Energy. Es wird über eine neue Technologie namens "Nanolithiumkathode" berichtet, mit der geschlossene Lithiumbatterien mit ähnlichen Eigenschaften wie Lithium-Luft-Batterien hergestellt werden können, um die oben genannten Probleme zu überwinden.

Liju sagte, dass eine der Schwächen von Lithium-Luft-Batterien darin besteht, dass die Lade- und Entladespannung variiert und die Entladespannung 1,2 Volt niedriger als die Ladespannung ist, so dass der Energieverlust in Form von Wärmeenergie während jedes Ladevorgangs beträgt so hoch wie 30%. "Wenn Sie zu schnell aufladen, brennt Ihre Lithiumbatterie möglicherweise tatsächlich."

Schließen Sie das Gas ab.

Wenn herkömmliche Lithium-Luft-Batterien entladen werden, verwenden sie Luftsauerstoff, um mit Lithium in der Batterie zu reagieren. Beim Laden wird der Sauerstoff im Lithiumoxid in die Atmosphäre freigesetzt.

Die neue Nanometer-Lithiumkathodenbatterie verwendet auch Sauerstoff und Lithium. Der Unterschied besteht darin, dass Sauerstoff beim Entladen nicht mehr in Form von Gas freigesetzt wird, sondern in einem Feststoff eingeschlossen ist. Insbesondere ist Sauerstoff in drei festen Verbindungen - Li 2 O, Li 2 O 2 und LiO 2 - in drei oxidativen Zuständen eingeschlossen, und diese drei Substanzen sind in Kobaltdioxidglas eingeschlossen.

Dies hat den Vorteil, dass die Nanolithiumkathodenbatterie die Spannungsdifferenz beim Laden und Entladen um das Fünffache reduziert - von 1,2 Volt auf 0,24 Volt, sodass beim Laden nur 8% der Energie in Form von Wärmeenergie verloren gehen. Dies bedeutet, dass Autobatterien schneller aufgeladen werden können, ohne sich um Überhitzungsbrände sorgen zu müssen.

Der zweite Nachteil von Lithium-Luft-Batterien besteht darin, dass in Form von Gas freigesetzter Sauerstoff Ionenkanäle in der Batterie zerstört und so die Lebensdauer von lithium-batterien verkürzt.

Die neue Technologie verwendet Kobaltdioxidglas, um Lithium und Sauerstoff im nanoskaligen Raum zu verpacken. Wissenschaftler nennen diese Struktur Nanolithium. Auf diese Weise verändern die Transformationen von LiO2, Li2O2 und Li2O nicht die makroskopische Struktur des Materials. Da die Nanolithiumpartikel selbst sehr instabil sind, reicht die Kobaltdioxidglasenergie mit nanoskaligen Kanälen gerade aus, um sie zu stabilisieren. Kobaltdioxid spielt auch die Rolle eines Katalysators beim Laden und Entladen.

Liju sagte, dass herkömmliche Lithium-Luft-Batterien eigentlich nur Lithium-Sauerstoff-Batterien sind, da Wasserdampf und Kohlendioxid in der Luft mit Lithium reagieren. Daher müssen Lithium-Luft-Batterien mit riesigen Hilfssystemen ausgestattet sein, um Wasserdampf und Kohlendioxid zu entfernen. Dies ist ein sehr schwieriger Schritt. Die neue feste Lithiumbatterie hat dieses Problem nicht mehr.

In sich geschlossene Überladefunktion

Die neue Lithium-Feststoffbatterie hat auch eine eigene Ladeladungsfunktion, da sich die chemische Reaktion in der Batterie durch negative Rückkopplung selbst reguliert und die Reaktion automatisch stoppt, wenn der Strom voll ist. Wenn der herkömmliche Akku überladen ist, wird der Akku irreversibel beschädigt und explodiert sogar. Feste Lithiumbatterien wurden im Experiment jedoch 15 Tage lang kontinuierlich geladen, und die Ladung betrug das 100-fache der Batteriekapazität, aber die Batterie blieb unversehrt.

Im Lade- und Entladeexperiment wurde die feste Lithiumbatterie 120-mal aufgeladen und die Kapazität ging nur um 2% verloren, was bedeutet, dass sie die Lebensdauer der herkömmlichen Lithium-Luft-Batterie bei weitem übersteigt. Da feste Lithiumbatterien kein zusätzliches Luftreinigungssystem benötigen, können sie problemlos auf Elektrofahrzeuge und sogar Netzspeicher angewendet werden.

Da die Festsauerstoffkathode viel leichter als die Kathode einer Lithiumionenbatterie ist, kann die neue Festlithiumbatterie doppelt so viel Strom speichern wie eine Lithiumionenbatterie mit gleichem Gewicht. Mit der Verbesserung der Technologie kann die Leistung der neuen Batterie wieder verdoppelt werden.

Der größere Vorteil der neuen Batterie besteht darin, dass keine teuren und seltenen Materialien verwendet werden müssen. Der Carbonat-Elektrolyt der Batterie ist sehr billig. Darüber hinaus ist Kobaltdioxidglas 50% leichter als Nanolithiumpartikel. Daher sind neue Batterien im Vergleich zu Lithium-Luft-Batterien sehr billig, sicher und haben das Potenzial für großtechnische Anwendungen. Das Forschungsteam plant, die Produktion praktischer Prototypen innerhalb eines Jahres abzuschließen.

Jixulei, ein außerordentlicher Professor an der Oregon State University, der nicht an dem Projekt teilgenommen hat, sagte, die neue Lithiumbatterietechnologie habe gegenüber herkömmlichen Lithium-Luft-Batterien erhebliche Verbesserungen erzielt. Der gelöste Superoxidstoff funktioniert gut im Carbonatdielektrikum und erfordert überhaupt keinen Sauerstoffeinsatz. Beim Laden und Entladen sind die Kathodenmaterialien alle fest, so dass die Installation und Verwendung der neuen Batterie sehr bequem ist.

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