Lithium-zuurstofbrandstofcellen hebben een energiedichtheid die vergelijkbaar is met die van fossiele brandstoffen en worden daarom gezien als een veelbelovende kandidaat voor toekomstige transportgerelateerde energiebehoeften.

Verschillende wegversperringen staan ​​de realisatie van die visie in de weg, echter. Ze omvatten slechte oplaadbaarheid, verminderde efficiëntie door hoge overpotentialen (meer laadenergie dan ontlaadenergie) en lage specifieke energie.

Twee instabiliteiten dragen bij aan deze wegversperringen. Veel van het eerdere werk gedaan in het lab van Lynden Archer, de James A. Friend Family Distinguished Professor of Engineering aan de Robert F. Smith School of Chemical and Biomolecular Engineering (CBE), is gericht op één:de kiemvorming en groei van dendrieten van de ene elektrode naar de andere, waardoor kortsluiting ontstaat, een bron van voortijdig celfalen dat steevast eindigt in branden.

Het is de andere instabiliteit – het verlies van batterijvermogen, ook bekend als capaciteitsvervaging - dat is de focus van het meest recente werk van het lab. Snehashi's Choudhury, een doctoraatsstudent in de Archer Research Group, is gekomen met wat Archer een "ingenieus" antwoord op het probleem van capaciteitsvervaging noemt.

Hun werk wordt gedetailleerd beschreven in "Designer interphases for the lithium-oxygen electrochemical cell, " gepubliceerd op 21 april in wetenschappelijke vooruitgang . Choudhury is co-eerste auteur samen met Charles Wan '17, een afstudeerrichting scheikunde.

Capaciteitsvervaging treedt op wanneer de elektrolyt, die geladen ionen transporteert van de negatieve elektrode (anode) naar de positieve (kathode), reageert met de elektroden. "Het begint de elektroden te verbruiken, " zei Choudhury. "Het vormt veel isolerende producten die het ionentransport belemmeren. Overuren, deze bouwen zich op om zo'n onbetaalbare interne celweerstand te produceren dat uiteindelijk de batterij vervaagt."

Het probleem:hoe stop je een elektrolyt-elektrodereactie, wanneer het een andere noodzakelijke reactie tussen de twee is - de overdracht van ionen - die kracht produceert? De oplossing van Choudhury wordt een kunstmatige vaste-elektrolyt-interfase (SEI) genoemd, een materiaal dat de elektroden beschermt en tegelijkertijd de elektronenstroom van het ene uiteinde van de cel naar het andere bevordert.

"Dergelijke interfasen vormen zich van nature in alle elektrochemische cellen ... en hun chemomechanische stabiliteit is van cruciaal belang voor het succes van de grafietanode in lithium-ionbatterijen, "Zei Boogschutter."

Choudhury's benadering voor het creëren van een functionele ontwerper-interfase is gebaseerd op bromide-bevattende ionische polymeren (ionomeren) die selectief aan de lithiumanode worden vastgemaakt om een ​​geleidende coating van enkele nanometers dik te vormen die de elektrode beschermt tegen degradatie en vervaging. De SEI-ionomeren vertonen drie kenmerken die zorgen voor verhoogde stabiliteit tijdens elektrodepositie:bescherming van de anode tegen groei van dendrieten; reductie-oxidatie (redox) bemiddeling, waardoor overpotentialen worden verminderd; en de vorming van een stabiele interfase met lithium, het metaal beschermen en tegelijkertijd het ionentransport bevorderen.

Eén uitdaging bestaat nog steeds:alle elektrochemische lithium-zuurstofcellen van onderzoekskwaliteit worden geëvalueerd met zuivere zuurstof als het actieve kathodemateriaal. Voor een commercieel levensvatbare lithium-zuurstof (of lithium-lucht, zoals het ook bekend is) cel, het zou zuurstof uit de lucht moeten halen, en dat zuurstof ook andere reactieve componenten bevat, zoals vocht en koolstofdioxide.

Als de inefficiënties die de prestaties van lithium-zuurstofbrandstofcellen beperken kunnen worden opgelost, de uitzonderlijke opties voor energieopslag die de celchemie biedt, zouden een gigantische stap voorwaarts zijn voor elektrisch vervoer en een revolutionaire vooruitgang voor autonome robotica, zei Boogschutter.

"Uit observaties van de meest geavanceerde humanoïde robots blijkt dat ze altijd ofwel vastgebonden zijn aan een ultralange elektrische kabel of zoiets als een luide grasmaaiermotor gebruiken om energie op te wekken. "Zei Archer. "Beide energiebronnen zijn slecht te vergelijken met de levende systemen die zijn ontwikkeld - technologieën voor energieopslag, zoals Li-air-cellen die materialen uit de omgeving benutten, beloven deze kloof te dichten."

Andere bijdragers waren Lena Kourkoutis, assistent-professor en de Rebecca Q. en James C. Morgan Sesquicentennial Faculty Fellow in toegepaste en technische fysica; CBE-promovendus Wajdi Al Sadat; Samson Lau, doctoraat '16; Zhengyuan Tu, doctoraatsstudent in materiaalkunde en techniek; en Michael Zachman, doctoraatsstudent toegepaste en technische fysica.

Archer merkte op dat Wan en Lau de elektrochemische cel bouwden, inclusief het ontwerpen van de kathodeconfiguratie, gebruikt bij hun experimenten.

"Charles is een uitzonderlijke student, "Zei Archer. "Studenten zijn hier voornamelijk om zich te concentreren op het krijgen van een eersteklas opleiding en hebben historisch gezien weinig tijd gehad om onderzoek te doen. Maar steeds meer doen ze onderzoek, en op een niveau dat in sommige gevallen vergelijkbaar is met onze beste Ph.D. studenten."

"Ik heb echt het geluk professor Archer als mentor te hebben, Wan zei. "Deze publicatie is het bewijs dat studenten een cruciale rol kunnen spelen in onderzoek als ze de kans krijgen, iets wat professor Archer van ganser harte gelooft."