Lithium-luchtbatterijen zijn klaar om de volgende revolutionaire vervanging te worden voor de momenteel gebruikte lithium-ionbatterijen die elektrische voertuigen aandrijven, mobiele telefoons en computers.

Lithium-lucht batterijen, die zich momenteel nog in de experimentele ontwikkelingsfase bevinden, kan 10 keer meer energie opslaan dan lithium-ionbatterijen, en ze zijn veel lichter. Dat gezegd hebbende, lithium-luchtbatterijen zouden nog efficiënter kunnen zijn en meer lading kunnen leveren met de integratie van geavanceerde katalysatoren gemaakt van tweedimensionale materialen. Katalysatoren helpen de snelheid van chemische reacties in batterijen te verhogen, en afhankelijk van het soort materiaal waaruit de katalysator is gemaakt, ze kunnen het vermogen van de batterij om energie vast te houden en te leveren aanzienlijk vergroten.

"We zullen batterijen met een zeer hoge energiedichtheid nodig hebben om nieuwe geavanceerde technologieën aan te drijven die in telefoons zijn verwerkt. laptops en vooral elektrische voertuigen, " zei Amin Salehi-Khojin, universitair hoofddocent werktuigbouwkunde en industriële techniek aan UIC's College of Engineering. Salehi-Khojin en zijn collega's hebben verschillende 2D-materialen gesynthetiseerd die als katalysator kunnen dienen. Een aantal van hun 2D-materialen, wanneer opgenomen in experimentele lithium-luchtbatterijen als katalysator, waardoor de batterij tot 10 keer meer energie kan bevatten dan lithium-luchtbatterijen die traditionele katalysatoren bevatten. Hun bevindingen zijn gepubliceerd in het tijdschrift Geavanceerde materialen .

"Momenteel, elektrische voertuigen gemiddeld ongeveer 100 mijl per lading, maar met de opname van 2D-katalysatoren in lithium-luchtbatterijen, we zouden 400 tot 500 mijl per lading kunnen leveren, wat een echte game-changer zou zijn, " zei Salehi-Khojin, die ook de corresponderende auteur van het artikel is. "Dit zou een enorme doorbraak zijn in energieopslag."

Salehi-Khojin en zijn collega's synthetiseerden 15 verschillende soorten 2-D overgangsmetaal dichalcogeniden of TMDC's. TMDC's zijn unieke verbindingen omdat ze een hoge elektronische geleidbaarheid en snelle elektronenoverdracht hebben die kunnen worden gebruikt om deel te nemen aan reacties met andere materialen, zoals de reacties die plaatsvinden in batterijen tijdens het laden en ontladen.

De onderzoekers bestudeerden experimenteel de prestaties van 15 TMDC's als katalysatoren in een elektrochemisch systeem dat een lithium-luchtbatterij nabootst.

"In hun 2D-vorm, deze TMDC's hebben veel betere elektronische eigenschappen en een groter reactief oppervlak om deel te nemen aan elektrochemische reacties in een batterij terwijl hun structuur stabiel blijft, " legde Leily Majidi uit, een afgestudeerde student aan het UIC College of Engineering en eerste auteur van het papier.

"Reactiesnelheden zijn veel hoger met deze materialen in vergelijking met conventionele katalysatoren zoals goud of platina, ' zei Majidi.

Een van de redenen waarom de 2-D TDMC's zo goed presteerden, is omdat ze helpen bij het versnellen van zowel laad- als ontlaadreacties die optreden in lithium-luchtbatterijen.

"Dit zou de zogenaamde bifunctionaliteit van de katalysator zijn, ' zei Salehi-Khojin.

De 2D-materialen werken ook samen met de elektrolyt - het materiaal waardoor ionen bewegen tijdens het laden en ontladen.

"De 2-D TDMC's en de ionische vloeibare elektrolyt die we gebruikten, fungeren als een co-katalysatorsysteem dat de elektronen helpt sneller over te gaan, wat leidt tot sneller opladen en efficiëntere opslag en ontlading van energie."

"Deze nieuwe materialen vertegenwoordigen een nieuwe weg die batterijen naar een hoger niveau kan tillen, we moeten alleen manieren ontwikkelen om ze efficiënter en op grotere schaal te produceren en af ​​te stemmen, ' zei Salehi-Khojin.