Warum die neue Lithiumbatterie eine extrem lange Lebensdauer erreichen kann

Die Super-lithium-batterie von Christopher Wolverton kann theoretisch funktionieren. Bei einer schwierigen Aufgabe verwendet die Batterie Sauerstoff, um chemische Reaktionen anzutreiben. Die Forscher glaubten zuvor, dass dies dazu führen würde, dass die Batterie instabil wird. Das Experiment ergab jedoch, dass die Batterie nicht nur ordnungsgemäß funktioniert, sondern auch eine hohe Leistung aufweist.

In Zusammenarbeit mit Forschern des Argonne National Laboratory entwickelte die Wolverton Research Group an der Northworth University eine wiederaufladbare Lithium-Eisenoxid-Batterie, die mehr Lithium-Eisenoxid-Batterien als normale Lithium-Kobaltoxid-Batterien enthält. Es kann zu Batterien mit höherer Kapazität verarbeitet werden und Smartphones und Elektroautos am Leben erhalten.

"Unsere prädiktiven Berechnungen dieser Art von Batteriereaktion sind sehr vielversprechend, aber es gibt viele Skeptiker, die auftauchen werden, wenn es keinen experimentellen Prozess gibt, der dies bestätigt", sagte Wolverton, Professor für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik an der McCormick School of Engineering der Northwest University . "Es hat tatsächlich eine sehr wichtige Rolle gespielt."

lithium-ionen-batterien pendeln Lithium-Ionen zwischen Anode und Kathode hin und her. Wenn die Batterie aufgeladen ist, bewegen sich die Ionen zurück zur Anode, wo sie gespeichert werden. Die Kathode besteht aus Lithiumionen, Übergangsmetallen und Sauerstoffverbindungen. Wenn sich Lithiumionen von der Anode zur Kathode bewegen und zurückkehren, kann Kobalt effektiv elektrische Energie speichern und abgeben, und die Kathodenkapazität wird anschließend durch die Anzahl der Elektronen in dem an der Reaktion beteiligten Übergangsmetall begrenzt.

"Traditionell können Übergangsmetalle reagieren", sagte Wolverton. "Da jedes Kobalt nur ein Lithiumion darstellt, ist die Speichermenge begrenzt, und noch schlimmer: Derzeit verbrauchen Batterien in Mobiltelefonen oder Laptops normalerweise nur die Hälfte des Lithiums in der Kathode."

Lithium-Kobaltoxid-Batterien sind seit 20 Jahren auf dem Markt, aber Forscher suchen nach billigeren Alternativen mit höherer Kapazität. Wolvertons Team verwendete zwei Strategien, um gewöhnliche Lithium-Kobaltoxid-Batterien zu verbessern: Kobalt durch Eisen ersetzen und Sauerstoff zur Teilnahme am Reaktionsprozess zwingen.

Wenn Sauerstoff auch Strom speichern und abgeben kann, kann die Batterie Lithium effizienter speichern und verwenden. Obwohl andere Forschungsgruppen diese Strategie in der Vergangenheit ausprobiert haben, haben dies nur wenige Menschen erreicht. "Das Problem ist, dass die Verbindung instabil wird, wenn Sie versuchen, Sauerstoff in die Reaktion einzubeziehen", sagte Yao. "Sauerstoff wird aus der Batterie freigesetzt und die Reaktion ist irreversibel."

Durch Berechnungen fanden Wolverton und Yao eine reversible Formel. Zunächst verwenden sie Eisen anstelle von Kobalt, was äußerst vorteilhaft ist, da es eines der billigsten Elemente im Periodensystem ist. Zweitens fanden sie rechnerisch das richtige Gleichgewicht zwischen Lithiumionen, Eisenionen und Sauerstoffionen, so dass Sauerstoff und Eisenionen gleichzeitig reversible Reaktionen auslösen, ohne dass Sauerstoff entweichen kann.

Wolverton sagte: "Die Batterie hat nicht nur eine interessante chemische Reaktion, da wir Elektronen aus Metall und Sauerstoff erhalten, nicht aus Eisen. Es ist möglich, dass bessere Batterien auch billiger sind. Noch wichtiger ist, dass voll wiederaufladbare Batterien mit vier Lithium- Batterien betrieben werden. Ionen, und die aktuelle Reaktion kann reversibel eines dieser Lithiumionen verwenden, was die Kapazität heutiger Batterien erheblich übersteigt. Die Verwendung von Eisen und Sauerstoff als Antrieb für die Reaktion macht jedoch alle vier Zyklen sehr vielversprechend.

Wolverton sagte: "Jedes Metall enthält vier Lithium-Ionen - dies ändert alle lithium-batterien. Dies bedeutet, dass Ihr Mobiltelefon achtmal länger halten kann oder Ihr Auto achtmal weiterfahren kann. Wenn Elektroautos mit Elektroautos konkurrieren und diese sogar übertreffen können." benzinbetriebene Autos in Bezug auf Umfang und Kosten werden den weltweiten Energiemarkt verändern.

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