Onderzoekers van de Universiteit van Illinois in Chicago en van het Argonne National Laboratory hebben een nieuwe lithium-luchtbatterij ontworpen die werkt in een natuurlijke luchtomgeving en nog steeds functioneert na een recordbrekende 750 laad-/ontlaadcycli. Hun bevindingen worden gerapporteerd in het tijdschrift Natuur .

"Ons ontwerp van lithium-luchtbatterijen vertegenwoordigt een revolutie in de batterijgemeenschap, " zei Amin Salehi-Khojin, assistent-professor mechanische en industriële techniek en co-corresponderende auteur van het papier. "Deze eerste demonstratie van een echte lithium-luchtbatterij is een belangrijke stap in de richting van wat we 'voorbij lithium-ion'-batterijen noemen, maar we hebben meer werk te doen om het te commercialiseren."

Lithium-luchtbatterijen - waarvan wordt aangenomen dat ze tot vijf keer meer energie kunnen bevatten dan de lithium-ionbatterijen die onze telefoons van stroom voorzien, laptops en elektrische voertuigen - zijn al jaren verleidelijk voor batterijonderzoekers. Maar verschillende obstakels hebben hun ontwikkeling geplaagd.

De batterijen zouden werken door lithium in de anode te combineren met zuurstof uit de lucht om lithiumperoxide op de kathode te produceren tijdens de ontladingsfase. Het lithiumperoxide zou tijdens de laadfase weer worden afgebroken tot zijn lithium- en zuurstofcomponenten.

Helaas, experimentele ontwerpen van dergelijke lithium-luchtbatterijen zijn niet in staat geweest om in een echte natuurlijke luchtomgeving te werken vanwege de oxidatie van de lithiumanode en de productie van ongewenste bijproducten op de kathode die het gevolg zijn van lithiumionen die worden gecombineerd met koolstofdioxide en waterdamp in de lucht. Deze bijproducten vervuilen de kathode, die uiteindelijk volledig bedekt wordt en niet meer kan functioneren. Deze experimentele batterijen vertrouwden op tanks met zuivere zuurstof, wat hun bruikbaarheid beperkt en ernstige veiligheidsrisico's met zich meebrengt vanwege de ontvlambaarheid van zuurstof.

"Een paar anderen hebben geprobeerd lithium-luchtbatterijcellen te bouwen, maar ze faalden vanwege een slechte levensduur, " zei Larry Curtiss, co-hoofdauteur en Argonne Distinguished Fellow.

Het onderzoeksteam van UIC-Argonne overwon deze uitdagingen door een unieke combinatie van anode, kathode en elektrolyt - de drie hoofdcomponenten van elke batterij - om anode-oxidatie en ophoping van batterijdodende bijproducten op de kathode te voorkomen en de batterij in een natuurlijke luchtomgeving te laten werken.

Ze bedekten de lithiumanode met een dunne laag lithiumcarbonaat die selectief lithiumionen van de anode de elektrolyt laat binnendringen, terwijl wordt voorkomen dat ongewenste verbindingen de anode bereiken.

In een lithium-luchtbatterij, de kathode is gewoon waar de lucht de batterij binnenkomt. In experimentele ontwerpen van lithium-luchtbatterijen, zuurstof, samen met alle andere gassen waaruit lucht bestaat, komt de elektrolyt binnen via een op koolstof gebaseerde sponsachtige roosterstructuur.

Salehi-Khojin en zijn collega's bedekten de roosterstructuur met een molybdeendisulfaatkatalysator en gebruikten een unieke hybride elektrolyt gemaakt van ionische vloeistof en dimethylsulfoxide, een veelvoorkomend bestanddeel van batterijelektrolyten, dat hielp lithium-zuurstofreacties te vergemakkelijken, minimaliseer lithiumreacties met andere elementen in de lucht en verhoog de efficiëntie van de batterij.

"De complete architecturale revisie die we op deze batterij hebben uitgevoerd door elk onderdeel ervan opnieuw te ontwerpen, heeft ons geholpen de reacties mogelijk te maken die we wilden laten plaatsvinden en die te voorkomen of te blokkeren die er uiteindelijk toe zouden leiden dat de batterij leeg zou raken, ’ zei Salehi-Khojin.

Het UIC-team bouwde, getest, de batterijcellen geanalyseerd en gekarakteriseerd. De Argonne-groep, samen met collega's van UIC en California State University, de rekenanalyses uitgevoerd.