Erzählen Sie mir mehr über Lithium-Sauerstoff-Batterie

Einführung

In diesem modernen Leben werden zahlreiche elektronische Geräte von einer Lithium-Ionen-Batterie gespeist. Diese Batterien haben es einfacher gemacht, unsere Geräte wie Mobiltelefone und Laptops überall zu verwenden. Die Li-Ion-Akkus sind mit einer hohen Energiedichte verbunden. Ihre Energiedichte reicht jedoch immer noch nicht aus. Es gibt zunehmende Anforderungen an Stromquellen mit höherer Energiedichte, und dies hat zur Suche nach Alternativen geführt. Der zunehmende Drang, nach Alternativen zur Interkalationschemie von Lithium-Ionen-Batterien zu suchen, hat zu einem erhöhten Interesse an Lithium-Sauerstoff-Batterien geführt. Diese Batterien laden und entladen sich, indem sie Lithium und Sauerstoff in ein Metalloxid umwandeln und wieder zurück.

Was ist eine Lithium-Sauerstoff-Batterie?

Lithium-Sauerstoff-Batterie ist eine neuartige Batterietechnologie, die mehr Energie speichern und länger halten kann als ihre Vorgänger wie die Lithium-Ionen-Batterie. Diese Batterien bestehen aus nachhaltigeren Materialien als die typischen Lithium-Ionen-Batterien. Sie gelten tatsächlich als vielversprechende Kandidaten für die nächste Generation wiederaufladbarer Batterien.

Lithium-Sauerstoff-Batterien bestehen aus zwei Elektroden, einer Anode und einer Kathode, die durch einen Elektrolyten getrennt sind. Wenn sich die Batterie entlädt, verbinden sich die Sauerstoffmoleküle an der Kathode mit Lithiumionen aus dem Elektrolyten, um eine feste Verbindung zu bilden, die als Lithiumperoxid bekannt ist. Die chemische Reaktion zwischen Sauerstoff und Lithiumionen setzt Energie frei. Wenn der Akku aufgeladen wird, wird Lithiumperoxid auseinandergebrochen, wobei Lithium und Sauerstoff in ihre Ausgangsposition zurückkehren.

Das Schmieden von Lithiumperoxid führt jedoch zur Bildung mehrerer unerwünschter chemischer Nebenprodukte, die Energie verschwenden. Dies wiederum führt dazu, dass die Lithium-Sauerstoff-Batterie nur etwa 80 Prozent ihrer gespeicherten elektrischen Ladung an das Gerät liefert, das sie mit Strom versorgt. Diese unerwünschten Chemikalien können auch den Elektrolyten und die Kathode der Batterie beschädigen. Daher fallen die Batterien häufig bereits nach wenigen Dutzend Ladezyklen aus.

Es wird jedoch noch mehr darüber geforscht, wie eine bessere Lithium-Sauerstoff-Batterie gebaut werden kann. Um eine bessere Batterie zu bauen, haben einige Hersteller den typischen organischen Elektrolyten für eine anorganische Salzschmelze und die Standardkathode auf Kohlenstoffbasis für eine Kathode auf Metallbasis ersetzt.

Im Fall einer typischen Lithium-Sauerstoff-Batterie führt beim Entladen oder Versorgen einer anderen Vorrichtung eine chemische Reaktion zwischen Sauerstoff und Lithiumionen zur Bildung von Lithiumperoxidkristallen auf der Oberfläche der Kathode. Andererseits führt das Entladen der neuen Lithium-Sauerstoff-Batterie zur Bildung von Lithiumoxid auf der Oberfläche der Kathode, wodurch die Batterie mehr Energie liefern und länger halten kann.

In der neuen Lithium-Sauerstoff-Batterie verbindet sich Sauerstoff mit Lithium zu Lithiumoxid. Durch diese chemische Reaktion kann die Batterie bis zu 50 Prozent mehr Energie speichern als die Lithiumperoxidreaktion. Daher kann das neue Design zur Herstellung von Batterien mit höherer Energiedichte führen als das vorherige Design. Darüber hinaus entstehen beim Schmieden von Lithiumoxid keine unerwünschten chemischen Nebenprodukte wie bei Lithiumperoxid. Infolgedessen kann die neue Lithium-Sauerstoff-Batterie fast die gesamte gespeicherte Ladung an andere Geräte abgeben und mehr Ladezyklen verarbeiten als andere Lithium-Sauerstoff-Batterien.

Die neuen Batterien geben den Elektroautos mehr Hoffnungen. Es sind jedoch noch einige Arbeiten zu erledigen, bevor sie in Elektrofahrzeugen eingesetzt werden können. Der Hauptgrund ist, dass neue Lithium-Sauerstoff-Batterien auf mindestens 150 Grad Celsius erhitzt werden müssen, um zu funktionieren. Daher müssten Sie beim Starten des Autos zuerst einen Weg finden, die Batterie zu erwärmen.

Die Fortschritte im Batteriebereich sind normalerweise unglaublich langsam und erfordern viele Jahre, bis vielversprechende Fortschritte im Labor in den kommerziellen Bereich gelangen. Die neuen Lithium-Sauerstoff-Batterien müssen noch viel mehr Lebenszyklen erreichen, um mit Lithium-Ionen-Batterien und anderen derzeit auf dem Markt befindlichen Batterietypen konkurrieren zu können.

Vorteile der Lithium-Sauerstoff-Batterie

Jeder möchte bessere Batterien für die Stromversorgung unserer verschiedenen elektronischen Geräte wie Mobiltelefone, Laptops und sogar Elektroautos. Die derzeitige Lithium-Ionen-Batterie, die in nahezu elektronischen Geräten verwendet wird, hat nicht genügend Energiedichte. Sie müssen den Akku jeden Tag aufladen.

Lithium-Sauerstoff-Batterien gelten aufgrund ihres theoretischen Potenzials für eine hohe Energieabgabe im Verhältnis zu ihrem Gewicht als vielversprechende Batterietechnologien für Elektroautos und elektronische Geräte. Diese Batterien wurden in der Tat als der ultimative Teig angepriesen. Sie wurden mit einer hohen Energiedichte in Verbindung gebracht, die zehnmal so hoch ist wie die einer Lithium-Ionen-Batterie. Diese hohe Energiedichte wäre tatsächlich mit der von Benzin vergleichbar und würde es einem Elektroauto mit einer Batterie ermöglichen, die ein Fünftel der Kosten und ein Fünftel des Gewichts der derzeit auf dem Markt befindlichen Personen beträgt, mit einer einzigen Ladung etwa 500 Meilen zu fahren.

Ein weiterer Vorteil der neuen Lithium-Sauerstoff-Batterie besteht darin, dass sie von Natur aus vor Überladung geschützt ist. Dies liegt daran, dass die chemische Reaktion in dieser Batterie tatsächlich selbstlimitierend ist. Wenn die Batterie überladen ist, wechselt die chemische Reaktion in eine andere Form, die weitere Aktivitäten verhindert. Wenn eine typische Batterie überladen ist, kann sie in den meisten Fällen irreversible strukturelle Schäden verursachen oder sogar explodieren. Die Lithium-Sauerstoff-Batterie wird jedoch nicht durch Überladung beschädigt.

Eine weitere großartige Sache an diesen Batterien ist, dass sie eine lange Lebensdauer haben. Die Laborversion der neuen Lithium-Sauerstoff-Batterie durchlief 120 Lade- und Entladezyklen und zeigte einen Kapazitätsverlust von weniger als 2 Prozent.

Die neuen Lithium-Sauerstoff-Batterien können genau wie die herkömmlichen festen Lithium-Ionen-Batterien installiert und betrieben werden und benötigen keine der Hilfskomponenten. Dies bedeutet, dass die Batterien leicht an vorhandene Installationen oder herkömmliche Batteriepackkonstruktionen für Elektroautos, elektronische Geräte oder sogar Stromspeicher im Netzmaßstab angepasst werden können.

Die neuen Lithium-Sauerstoff-Batterien verfügen über Kathoden, die viel leichter sind als die herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterie-Kathoden. Dies bedeutet, dass diese Batterie bei einem bestimmten Kathodengewicht bis zu doppelt so viel Energie speichern kann. Eine weitere Verfeinerung des Designs kann dazu führen, dass die Batterien diese Kapazität wieder verdoppeln.

Wie funktioniert die Lithium-Sauerstoff-Batterie?

Die herkömmlichen Lithium-Sauerstoff-Batterien ziehen Sauerstoff aus der Außenluft an, um eine chemische Reaktion mit Lithium-Ionen während des Entladezyklus zu ermöglichen. Dieser Sauerstoff wird dann während der Rückreaktion im Ladezyklus wieder an die Atmosphäre abgegeben. Während des Entladens oder wenn die Batterie ein anderes Gerät mit Strom versorgt, verbindet sich der aus der Atmosphäre entnommene Sauerstoff mit den Lithiumionen, um Lithiumperoxidkristalle auf der Kathode zu bilden, wodurch Energie freigesetzt wird. Diese chemische Reaktion führt häufig zu anderen Nebenprodukten, die die Kathode korrodieren und somit die Lebensdauer der Batterie verkürzen können. Wenn der Akku geladen wird, wird Lithiumperoxid auseinandergebrochen, wobei Lithium und Sauerstoff in ihre ursprüngliche Form zurückkehren.

In der neuen Lithium-Sauerstoff-Batterie finden beim Laden und Entladen die gleichen elektrochemischen Reaktionen zwischen Lithium und Sauerstoff statt. Während des Entladens verbinden sich Lithiumionen jedoch mit Sauerstoff, um Lithiumoxid zu bilden. Die chemische Reaktion führt zur Freisetzung von Energie ohne unerwünschte Nebenprodukte. In der neuen Batterie wird Sauerstoff nicht in eine gasförmige Form zurückgeführt. Stattdessen bleibt es im Festkörper. Dies hilft, den Spannungsverlust um den Faktor fünf von 1,2 Volt auf 0,24 Volt zu reduzieren, so dass nur ein kleiner Prozentsatz der elektrischen Energie in Wärme umgewandelt wird. Dadurch kann der Akku mehr Energie liefern und hält sogar länger.

Bei der herkömmlichen Lithium-Sauerstoff-Batterie wandelt die chemische Reaktion, die während des Ladens und Entladens stattfindet, Sauerstoff zwischen gasförmigen und festen Formen um. Dies führt dazu, dass das Material große Volumenänderungen durchläuft, die die elektrischen Leitungswege in der Batterie beschädigen. Dadurch wird die Lebensdauer erheblich verkürzt.

Fazit

Weltweit steigen die Anforderungen an Batterien mit höherer Energiedichte. Sie haben auch als Einzelperson den Bedarf an Batterien mit höherer Dichte festgestellt. Lithium-Ionen-Batterien werden überall verwendet, um elektrische Geräte und sogar Elektroautos anzutreiben, aber ihre Energiedichte reicht immer noch nicht aus. Die neuen Lithium-Sauerstoff-Batterien wurden aufgrund ihrer höheren Energiedichte als ultimative Batterie und beste Alternative zu Lithium-Ionen-Batterien angepriesen. Dieser Ansatz befindet sich noch im Labor und kann länger dauern, bis sie in die Kommerzialisierungsarena übergehen. Dennoch bieten sie eine gute Zukunft für Elektrofahrzeuge und elektronische Geräte.