Lithium-luchtbatterijen produceren stroom uit lucht, en worden vaak lithium-zuurstofbatterijen genoemd. Ze zijn veel lichter dan lithium-ionbatterijen vanwege de hogere energiedichtheid. Lithium-luchtbatterijen hebben toepassingen, waaronder het vergroten van het rijbereik van elektrische auto's op een enkele lading. Echter, ondanks hun voordelen, de industriële productie van lithium-luchtbatterijen wordt belemmerd door fundamentele problemen die momenteel niet kunnen worden opgelost.

Artem Sergejev, een doctoraat student van de afdeling Polymer and Crystal Physics aan de Lomonosov Moscow State University en een van de co-auteurs zegt:"Een lithium-luchtbatterij zou mogelijk drie tot vijf keer meer specifieke energie kunnen hebben dan moderne lithium-ionbatterijen. Een van de grootste problemen bij de ontwikkeling van lithium-luchtbatterijen is de passivering van de elektroden, dat is de overgang van het oppervlak van het elektrodemateriaal naar een inactieve toestand. We hebben nieuwe gegevens verkregen over het reactiemechanisme en hebben enkele ideeën geopperd om de passivering van elektroden te remmen. De techniek zou kunnen worden gebruikt voor meer geschikte oplosmiddelen, elektrolyten en elektrodematerialen."

De atmosfeer is een mengsel van gassen, maar voor de werking van lithium-luchtbatterijen is pure zuurstof nodig. Kooldioxide en vocht in atmosferische gassen vertragen de redoxreacties die ten grondslag liggen aan de werking van de batterij. Sommige schattingen suggereren dat het overwinnen van deze obstakels vijf tot tien jaar zal duren. De wetenschappers van de Lomonosov Moscow State University bestuderen de processen die een robuuste werking van lithium-luchtbatterijen verhinderen.

Alexei Chochlov, een van de auteurs, zegt, "Over het algemeen, in het geval van uitwerkingssucces, de batterij moet lithium-lucht zijn, wat het gebruik van omgevingslucht impliceert. Speciale membranen kunnen de ongewenste atmosferische componenten, waaronder vocht en kooldioxide, scheiden. Maar momenteel, er zijn ook meer fundamentele problemen, en om ze op te lossen, we gebruiken lithium-zuurstofcellen en leveren zuivere zuurstof uit gasflessen."

De kathode (een positieve elektrode) in een lithium-luchtbatterij wordt weergegeven door een poreuze koolstofspons die de elektrolytoplossing met lithiumionen bevat. De kathode heeft contact met de externe gasomgeving, die nodig is om de elektrolyt van zuurstof te voorzien, wat een vloeibare ionengeleider is. De wetenschappers simuleerden de interface tussen de elektrode en de elektrolytoplossing aan de kathode van een lithium-luchtbatterij en boden een aanpak om de passivering van de elektroden te remmen. De onderzoekers gebruikten het supercomputercomplex van de Lomonosov Moscow State University voor simulatie van alle atomen met behulp van moleculaire dynamica-methoden.

Alexei Chochlov zegt, "Er vindt een groot aantal parallelle processen en reacties plaats aan de kathode tijdens het gebruik van lithium-luchtbatterijen. Helaas, experimenteel onderzoek van de afzonderlijke stadia van deze processen blijkt vaak onmogelijk, terwijl simulatie van afzonderlijke fasen van de reacties met behulp van supercomputers het mogelijk maakt om basistrends te traceren in de fasen die we bestuderen."

De wetenschappers hebben ontdekt dat reductie van superoxide-anionen die tot elektrodepassivering leiden, alleen mogelijk is na binding met lithiumkationen.

Alexei Khokhlov vat samen:"We hebben begrepen dat de vorming van niet-geleidende ontladingsproducten direct op het elektrodeoppervlak (de passivering ervan) alleen plaatsvindt na binding van een tussenproduct (superoxide-anion) met lithiumionen, die sterk geconcentreerd zijn nabij het elektrodeoppervlak. Als je ze verplaatst, passivering zal niet, waarschijnlijk, zo snel gaan."