Metaal-luchtbatterijen zijn nagestreefd als opvolger van lithium-ionbatterijen vanwege hun uitzonderlijke gravimetrische energiedichtheden. Ze kunnen elektrische auto's mogelijk in staat stellen om duizend mijl of meer af ​​te leggen op één lading.

Een veelbelovend nieuw lid van de alkalimetaal-luchtbatterijfamilie is de kalium-luchtbatterij, die meer dan drie keer de theoretische gravimetrische energiedichtheid van lithium-ionbatterijen heeft. Een belangrijke uitdaging bij het ontwerpen van kalium-luchtbatterijen is het kiezen van de juiste elektrolyt, de vloeistof die de overdracht van ionen tussen de kathode en anode vergemakkelijkt.

Typisch, elektrolyten worden gekozen met behulp van een trial-and-error-benadering op basis van vuistregels die verschillende elektrolyteigenschappen met elkaar in verband brengen, gevolgd door uitgebreide (en tijdrovende) tests van verschillende elektrolytkandidaten om te zien of de gewenste prestatie wordt bereikt.

Onderzoekers van de Washington University in St. Louis, onder leiding van Vijay Ramani, de Roma B. en Raymond H. Wittcoff Distinguished Professor of Environment &Energy aan de McKelvey School of Engineering, hebben nu laten zien hoe elektrolyten voor alkalimetaal-luchtbatterijen kunnen worden gekozen met een enkele, gemakkelijk te meten parameter.

Hun werk werd op 8 juli gepubliceerd in de Proceedings van de National Academy of Sciences .

Het team van Ramani bestudeerde de fundamentele interacties tussen het zout en het oplosmiddel in de elektrolyt en laat zien hoe deze interacties de algehele batterijprestaties kunnen beïnvloeden. Ze ontwikkelden een nieuwe parameter, namelijk de "elektrochemische" Thiele Modulus, een maat voor het gemak van ionentransport naar en reactie op een elektrodeoppervlak.

Dit onderzoek documenteert de eerste keer dat de Nobelprijswinnende Marcus-Hush-theorie van elektronenoverdracht is gebruikt om de impact van elektrolytsamenstelling op de beweging van ionen door de elektrolyt te bestuderen, en hun reactie aan het oppervlak van de elektrode.

Deze Thiele-modulus bleek exponentieel af te nemen met toenemende reorganisatie-energie van het oplosmiddel - een maat voor de energie die nodig is om de solvatatiesfeer van een opgeloste soort te wijzigen. Dus, de reorganisatie-energie van het oplosmiddel zou kunnen worden gebruikt om rationeel elektrolyten te selecteren voor hoogwaardige metaal-luchtbatterijen. Geen trial-and-error meer.

"We zijn begonnen om de invloed van de elektrolyt op de zuurstofreductiereactie in metaal-luchtbatterijsystemen beter te begrijpen, " zei Shrihari Sankarasubramanian, een onderzoekswetenschapper in het team van Ramani en hoofdauteur van de studie.

"We hebben uiteindelijk laten zien hoe de diffusie van ionen in de elektrolyt en de reactie van deze ionen op het elektrodeoppervlak beide gecorreleerd zijn met de energie die nodig is om de solvatatieschil rond de opgeloste ionen te breken."

"Het laten zien hoe een enkele parameterdescriptor van de solvatatie-energie correleert met zowel ionentransport als oppervlaktereactiekinetiek is een doorbraak, "Zei Ramani. "Het zal ons in staat stellen om rationeel nieuwe hoogwaardige elektrolyten voor metaal-luchtbatterijen te ontwikkelen."