Chemici van de Universiteit van Waterloo hebben met succes twee van de meest uitdagende problemen rond lithium-zuurstofbatterijen opgelost:en creëerde daarbij een werkende batterij met bijna 100 procent coulombefficiëntie.

Het nieuwe werk, die deze week verschijnt in Wetenschap , bewijst dat de conversie van vier elektronen voor lithium-zuurstofelektrochemie in hoge mate omkeerbaar is. Het team is de eerste die een conversie van vier elektronen realiseert, die de elektronenopslag van lithium-zuurstof verdubbelt, ook bekend als lithium-lucht, batterijen.

"Er zijn beperkingen op basis van thermodynamica, " zei Linda Nazar, Canada Research Chair van Solid State Energy Materials en senior auteur van het project. "Hoe dan ook, ons werk heeft fundamentele problemen aangepakt die mensen al heel lang proberen op te lossen."

De hoge theoretische energiedichtheid van lithium-zuurstof (Li-O ₂ ) batterijen en hun relatief lichte gewicht hebben ze tot de heilige graal van oplaadbare batterijsystemen gemaakt. Maar al lang bestaande problemen met de chemie en stabiliteit van de batterij hebben ervoor gezorgd dat ze een puur academische nieuwsgierigheid zijn gebleven.

Twee van de meer serieuze problemen hebben betrekking op het tussenproduct van de celchemie (superoxide, LiO ₂ ) en het peroxideproduct (Li2O ₂ ) reageren met de poreuze koolstofkathode, de cel van binnenuit afbreken. In aanvulling, het superoxide verbruikt daarbij de organische elektrolyt, wat de levensduur van de cyclus enorm beperkt.

Nazar en haar collega's schakelden de organische elektrolyt over op een stabieler anorganisch gesmolten zout en de poreuze koolstofkathode op een bifunctionele metaaloxidekatalysator. Door de batterij vervolgens op 150 C te laten werken, ze ontdekten dat het stabielere product Li2O wordt gevormd in plaats van Li2O ₂ . Dit resulteert in een zeer omkeerbare Li-zuurstofbatterij met een coulombefficiëntie van bijna 100 procent.

Door O . op te slaan ₂ als lithiumoxide (Li2O) in plaats van lithiumperoxide (Li2O ₂ ), de batterij behield niet alleen uitstekende laadeigenschappen, het bereikte de maximale overdracht van vier elektronen in het systeem, waardoor de theoretische energieopslag met 50 procent wordt vergroot.

"Door de elektrolyt en de elektrodegastheer uit te wisselen en de temperatuur te verhogen, laten we zien dat het systeem opmerkelijk goed presteert, " zei Nazar, die ook Universitair Onderzoekshoogleraar is bij de afdeling Scheikunde van Waterloo.