Neue leere Lithiumbatterie, Anwendungsvordergrund jenseits aller Vorstellungskraft

In einem neuen Konzept der Batteriekathode werden die Nanopartikel von Lithiumoxidverbindungen in ein schwammiges Kobaltoxidgitter eingebettet, um die Batterie stabil zu halten. Gleichzeitig kann das Material in Batterien verpackt werden, ähnlich wie bei herkömmlichen versiegelten Batterien, kann jedoch mehr Energie liefern.

In Elektrofahrzeugen und tragbaren elektronischen Geräten haben Lithium-Luft-Batterien eine glänzende Zukunft, da sie bei gleicher Qualität höhere Energie liefern können. Die Batterien haben aber auch große Nachteile: Sie verlieren viel eingespritzte Energie als Wärme und die Batterien degenerieren allmählich. Darüber hinaus benötigen sie teure zusätzliche Komponenten, um Sauerstoff zu transportieren oder abzugeben. Es ist eine offene Batteriestruktur, die das Gegenteil von herkömmlichen versiegelten Batterien ist.

Die chemische Batterie kann jedoch in einer herkömmlichen, vollständig versiegelten Batterie verwendet werden. Diese neue Änderung zeigt, dass ähnliche theoretische Eigenschaften auf Lithium-Luft-Batterien angewendet werden können, während all diese Nachteile überwunden werden. Die Kathodenbatterie namens Nanolithia ist ein neues Batteriekonzept, das in der Zeitschrift NatureEnergy über JuLi und Postdoktorand ZiZhu sowie fünf Personen am Massachusetts Institute of Technology veröffentlicht wurde. JuLi ist Professor an der Battle Energy Alliance für Nuklearwissenschaft und -technik am Massachusetts Institute of Technology. Das Massachusetts Institute of Technology ist vom Argonne National Laboratory und der Peking University in China.

Li erklärte, dass einer der Nachteile von Lithium-Luft-Batterien darin besteht, dass die Spannung bei geladenen und entladenen Batterien nicht übereinstimmt. Die Ausgangsspannung der Batterie überschreitet 1,2 Volt, aber die Spannung ist zu diesem Zeitpunkt niedriger als die zum Laden verwendete Spannung. Offensichtlich tritt während jedes Ladezyklus ein Leistungsverlust auf. "Sie verschwenden 30 Prozent Ihres Stroms als Wärme, wenn Sie ihn aufladen. Wenn Sie ihn zu schnell aufladen, kann die Batterie sogar verbrennen", sagte er. ""

Herkömmliche Lithium-Luft-Batterien absorbieren während des Entladezyklus Sauerstoff aus der Außenluft, um die chemische Reaktion anzutreiben, und während der Rückreaktion des Ladezyklus wird wieder Sauerstoff an die Atmosphäre abgegeben. In der neuen Runde des Ladens und Entladens findet die elektrochemische Reaktion zwischen Lithium und Sauerstoff wie üblich statt, aber die Reaktion reduziert zu diesem Zeitpunkt den Sauerstoff nicht mehr zu einer gasförmigen Form.

Im Gegensatz dazu existiert Sauerstoff im Feststoff und wird direkt zwischen seinen drei Valenzzuständen in Redox umgewandelt, während er an drei verschiedene feste Verbindungen Li2O, Li2O2 und LiO2 gebunden und in einer Tasse gemischt wird. Dies reduziert den Spannungsverlust um ein Fünftel von 1,2 V auf 0,42 V, sodass nur 8% des Stroms heiß werden. "Für Autos bedeutet dies ein schnelleres Laden, weniger Wärmeabgabe von Batterien und eine bessere Energieeffizienz", sagte Li. ""

Diese Methode hilft, einen weiteren Nachteil von Lithium-Luft-Batterien zu überwinden: Mit fortschreitendem Laden und Entladen elektrochemischer Reaktionen wird Sauerstoff zwischen Gas und Feststoffen umgewandelt. Zu diesem Zeitpunkt muss das Material eine große Volumenänderung erfahren, wodurch der leitende Pfad in der Struktur gestört wird, was wiederum seine Lebensdauer stark einschränkt. Die neue Idee besteht darin, nanoskalige Partikel zu erzeugen, die Lithium und Sauerstoff in einer Tasse enthalten, so dass sie eng mit dem Kobaltoxidgitter verbunden sind.

Die Forscher definierten diese Partikel als Nanolithien. In dieser Form können LiO2, Li2O2 und Li2O alle in festen Materialien vorkommen. Nanolithia-Partikel sind normalerweise sehr instabil, daher haben die Forscher sie in das Kobaltoxidgitter eingebettet und bilden ein Schwammmaterial, dessen Porendurchmesser nur wenige Nanometer beträgt. Dieses Modell ist vorteilhaft für die Stabilität von Partikeln und kann auch als Katalysator für deren Umwandlung wirken.

Li erklärte: "Traditionelle Lithium-Luft-Batterien sind wirklich trockene Batterien, weil sie schwer zu entfernen sind, Wasser und Kohlendioxid." Daher muss die einströmende Luft sorgfältig gereinigt und in die Batterie eingespritzt werden. Sie benötigen viele Zusatzsysteme, um Kohlendioxid und Feuchtigkeit zu entfernen, was oft schwierig ist. Die neue Batterie benötigt jedoch keine Außenluft, um dieses Problem zu vermeiden. Das Team stellte außerdem fest, dass die neue Batterie selbst durch Überladung geschützt wäre. In diesem Fall wäre die chemische Reaktion selbst begrenzt. Bei Überladung wird die Reaktion in eine andere Form umgewandelt, um weitere Reaktionen zu verhindern.

Li sagte: "Wenn ein typischer Akku überladen wird, kann dies zu irreversiblen Schäden oder Explosionen führen. Bei einem Nanolithia-Akku wird der Akku 15 Tage lang auf das 100-fache seiner Kapazität überladen, und er verursacht keinen Schaden." Im Zirkelversuch zeigte eine neue Laborversion der Batterie einen Kapazitätsverlust von weniger als 2% über 120 Zyklen, was darauf hinweist, dass die Batterie eine lange Lebensdauer hat. Da Lithium-Luft-Zellen wie herkömmliche feste Lithium-Ionen-Zellen ohne Hilfskomponenten installiert und betrieben werden können, können sie problemlos an vorhandene Geräte oder herkömmliche batteriebetriebene Autos, Elektronik und sogar Stromspeicher im Netzmaßstab angepasst werden.

Die Teammitglieder sagten: "Da diese 'Festsauerstoff'-Kathode leichter als herkömmliche Lithium-Ionen-Batteriekathoden ist, kann das neue Design die doppelte Energie für ein bestimmtes Kathodengewicht speichern." "Mit der weiteren Entwicklung wird der Akku seine Kapazität irgendwann wieder verdoppeln können", sagte Li. "Für alles sind keine teuren Komponenten oder Materialien erforderlich", sagte Li. Zum Beispiel sind die Elektrolyte, die sie verwenden, die billigsten Carbonate. "Kobaltoxid ist weniger als 50 Prozent schwerer als Nanolithia", sagte Li. „Kurz gesagt, das neue Batteriesystem, das billig ist, ist sehr skalierbar und sicherer als Lithium-Luft-Batterien.“ Ich glaube, dass seine Anwendungsaussichten unbegrenzt sein werden.

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