Lithium-Luft-Batterie-Betrieb, Vergleich und Durchbruch

Wie funktionieren Lithium-Luft-Batterien?

Eine Li-Air-Zelle erzeugt aufgrund der Verfügbarkeit von Sauerstoffmolekülen (O2) in der positiven Elektrode eine Spannung. O2 reagiert mit positiv geladenen Lithiumionen unter Bildung von Lithiumperoxid (Li2O2) und erzeugt Elektrizität. Die Elektronen werden von der Elektrode entfernt und diese Batterie ist leer (entladen), wenn nicht mehr Li2O2 gebildet werden kann

Li2O2 ist jedoch ein sehr schlechter Elektronenleiter. Wenn die Li2O2-Ablagerungen auf der Oberfläche der Elektrode wachsen, die die Elektronen für die Reaktion liefert, wird sie gedämpft und eliminiert schließlich die Reaktion und damit die Batterieladung. Dieses Problem kann überwunden werden, wenn das Reaktionsprodukt (in diesem Fall Lithiumperoxid) in der Nähe der Elektrode gelagert wird, diese jedoch nicht bedeckt.

Forscher in Cambridge haben ein Rezept gefunden, das genau das tut: Verwenden Sie ein Standard-Elektrolytgemisch und fügen Sie Lithiumiodid (LI) als Additiv hinzu. Das Experiment des Teams umfasst auch eine schwammige und schwammige Elektrode, die aus vielen dünnen Graphenschichten besteht, die mit großen Poren gefüllt sind.

Der letzte wichtige Bestandteil ist eine sehr geringe Menge Wasser (H20). Mit Hilfe dieser Kombination von Chemikalien erzeugt die Batterieentladungsreaktion kein Li2O2, was zu einer Vergrößerung der leitenden Oberfläche der Elektrode führen kann (siehe Abbildung unten, linke Seite). Stattdessen enthält es Wasserstoff, der aus Wasser (H2O) entfernt wurde, um Lithiumhydroxidkristalle (LiOH) zu bilden.

Diese Kristalle füllen die porösen Abmessungen der schwammigen Kohlenstoffelektrode, bedecken und blockieren jedoch insbesondere nicht die lebenswichtige Oberfläche des Kohlenstoffs, der die Versorgungsspannung erzeugt (rechte Seite). Daher erhöht das Vorhandensein von Lithiumiodid als "Vermittler" (obwohl seine genaue Funktion noch nicht klar ist) und Wasser als Co-Reaktant in dem Prozess die Kapazität der Li-Luft-Batterie.

Was ist der Unterschied zwischen Lithiumluft und Lithiumionenbatterie?

Die Li-Air-Technologie ist aufgrund der technischen Einschränkungen des ausgereiften Lithium-Ionen-Akkus zu einem begehrten Bereich geworden. Um Anwendungen mit hoher Energiedichte zu erreichen, wie z. B. Elektrofahrzeuge, die mit einer einzigen Ladung 300 Meilen überschreiten können, wurden Anstrengungen für fortschrittliche Technologien wie Li-Air unternommen. Abraham, der 1996 den ersten Artikel über nichtwässrige Li-Luft-Batterien in einem JES-Artikel mit dem Titel "Eine wiederaufladbare Lithium / Sauerstoff-Batterie auf Elektrolytbasis" veröffentlichte, hat diese außergewöhnliche Veränderung in den letzten 10 Jahren erlebt. Eine Lithium-Luft-Batterie kombiniert den Sauerstoff aus der in der Anode vorhandenen Lithium-Luft. Das Gemisch erzeugt in der Entladungsphase Lithiumperoxid und in der Ladephase einen Abbau der Lithium- und Sauerstoffkomponenten. Es wird angenommen, dass Lithium-Luft-Batterien bis zu fünfmal mehr Energie enthalten als dieselben Lithium-Ionen-Batterien, die heutige Telefone, Laptops und Elektrofahrzeuge antreiben. Die ersten Ideen von "Lithium-Luft" scheiterten jedoch oft. Wenn Lithiumionen in der Luft mit Kohlendioxid und Wasserdampf kombiniert werden, entstehen häufig Nebenprodukte, die die Kathode umfassen.

Um eine Akkumulation zu verhindern und die Batterie in einer natürlichen Umgebung funktionieren zu lassen, haben UIC- und Argonne-Forscher die Lithiumanode mit einer dünnen Schicht Lithiumcarbonat beschichtet. Durch die Beschichtung können Lithiumionen in die Anode in den Elektrolyten eindringen und gleichzeitig verhindern, dass unerwünschte Verbindungen die Anode erreichen.

In experimentellen Lithium-Luft-Batterieprojekten gelangt Sauerstoff über eine schwammige Schneestruktur auf Kohlenstoffbasis in den Elektrolyten.

Salehi-Khojin und seine Kollegen beschichteten die Gitterstruktur mit einem Molybdändisulfidkatalysator. Der einzigartige Hybridelektrolyt, bestehend aus ionischer Flüssigkeit und Dimethylsulfoxid, einem häufigen Bestandteil von Batterieelektrolyten, erleichterte Lithium-Sauerstoff-Reaktionen, reduzierte Lithiumreaktionen mit anderen Luftelementen und erhöhte die Batterieeffizienz.

Wie hoch ist die Laderate?

Die Ladegeschwindigkeit zu diesem Zeitpunkt wäre ähnlich wie bei einem Lithium-Ionen-Akku. Es könnte mit mehr Forschung erhöht werden.

Wie wird Ihr neues Design mit li-ionen-akkus betrieben?

Durch die Verwendung chemischer Bindungen zwischen Li und Sauerstoff können die Batterien viel mehr Energie speichern, da die Bindungen dichter sind als die Interkalationswechselwirkungen zwischen Li und den in Li-Ionen-Batterien verwendeten Metalloxidschichten.

Was ist das Potenzial für Entflammbarkeit oder Explosion (wenn durchstochen, überhitzt, überladen usw.)?

Ein Teil unserer veröffentlichten Li-Air-Batterie ist die Lithiumanode. Es ist bekannt, dass eine Explosion auftreten kann. Viele Wissenschaftler arbeiten an der Sicherheitsfrage der Lithiumanode und werden wahrscheinlich große Anstrengungen unternehmen, um sie sicherer zu machen. Es ist jedoch zu beachten, dass wir die Oberfläche der Li-Anode mit einem elektrischen Isolator, jedoch mit ionisch leitendem Material schützen, um eine Explosion aufgrund des Kurzschlusses der Batterie zwischen Anode und Kathode zu vermeiden. Dies verhindert auch eine Überhitzung der Batterie.

Welche Fehlermodi werden erwartet?

Dies wird beim Scale-up untersucht.

Durchbruch der Lithium-Luft-Batterietechnologie

Laut KM Abraham, Mitautor des Papiers, ermöglicht die Katalyse der Sauerstoffreduktionsreaktion durch Mangan, während Kobalt die Batterieladungsreaktion katalysiert.

"Dies bietet die Möglichkeit für zukünftige Forschungen, ähnliche Materialien zu entwickeln, um die Katalyse der Li-Air-Batterie mit einem Material zu optimieren, das die Funktionen dieser gemischten Metalloxide kombiniert", sagt Abraham.

Da die Übergangsmetalloxide auch als Kathoden für Lithium-Ionen-Batterien auftreten, ist Abraham der Ansicht, dass diese neue Entwicklung Möglichkeiten für zukünftige Anwendungen eröffnen könnte, bei denen die beiden wiederaufladbaren Batterien nachhaltig eingesetzt werden könnten.

"Da diese katalytischen Materialien auch für Lithium-Ionen-Batteriekathoden entwickelt werden, könnte dies eine Möglichkeit sein, Lithium-Ionen-Batterieelektroden für einen anderen Zweck zu verwenden: um sie als Katalysator in Lithium-Ionen-Batterien zu verwenden", sagt Abraham. "Der Li-Air wird derzeit intensiv erforscht, aber es gibt noch Hindernisse, die wir überwinden müssen, bevor sie in die Praxis umgesetzt werden können", sagt Abraham. "Ich denke, dass es in naher Zukunft nur eine begrenzte Verwendung für spezielle Anwendungen geben wird, aber es wird einige Zeit dauern, bis die Technologie vollständig genutzt ist." Grundlegende Entwicklungen tragen jedoch zur Weiterentwicklung der Technologie bei und bringen sie zum Endziel einer weit verbreiteten Anwendung. "Das Lithiumion ist ausgereift und jetzt brauchen wir eine Batterie mit einer viel höheren Energiedichte", sagt Abraham. "Dies ist ein weiterer Schritt in Richtung des Potenzials von Li-Air."