Met behulp van een geavanceerde, nieuwe microscopietechniek die chemische reacties in vloeibare omgevingen kan visualiseren, Onderzoekers hebben een nieuwe reden ontdekt waarom lithium-zuurstofbatterijen - die tot vijf keer meer energie beloven dan de lithium-ionbatterijen die elektrische voertuigen en mobiele telefoons aandrijven - de neiging hebben om te vertragen en na slechts een paar laad-/ontlaadcycli te overlijden. Ze rapporteren hun bevindingen in het tijdschrift Nano-energie .

"Wat we voor het eerst konden zien, is dat lithiumperoxide zich ontwikkelt in de vloeibare elektrolyt van lithium-zuurstofbatterijen, en draagt ​​bij aan de vertraging en uiteindelijke dood van deze batterijen, " zei Reza Shahbazian-Yassar, universitair hoofddocent mechanische en industriële techniek aan de Universiteit van Illinois aan het Chicago College of Engineering en hoofdauteur van het artikel. "Dit is een nieuw ontdekte reden waarom deze veelbelovende batterijen zo'n sterke daling in efficiëntie en opbrengst hebben na relatief weinig laad-/ontlaadcycli."

Lithium-zuurstofbatterijen zijn al jaren verleidelijk voor batterijonderzoekers vanwege hun potentiële hoge energiedichtheid. Maar ze hebben de neiging om langzamer te werken en relatief snel te stoppen met werken in vergelijking met andere batterijen. Een van de redenen voor dit stroomverlies is dat een bijproduct van de chemische reacties die plaatsvinden in de batterij - lithiumperoxide - zich ophoopt op de elektroden van de batterij. De gecoate elektroden kunnen niet meer efficiënt functioneren en chemische reacties die energie produceren stoppen uiteindelijk.

Maar nu, Shahbazian-Yassar en zijn collega's, met behulp van een nieuwe transmissie-elektronenmicroscopietechniek ontwikkeld door UIC-studenten Kun He en Yifei Yuan, afgestudeerd in engineering, hebben aangetoond op nanometerniveau, dat lithiumperoxide zich ook vormt in de vloeibare elektrolytcomponent van de batterij, verdere vertraging van chemische reacties.

"Weten dat lithiumperoxide zich ophoopt in de elektrolyt zelf is een zeer belangrijke bevinding, " zei Shahbazian-Yassar. "Nu, we kunnen beginnen met het bedenken van ideeën en ontwerpen die dit ofwel voorkomen of iets doen om de goede werking van de elektrolyt te behouden, zodat het de werking van de batterij niet verstoort, en we kunnen de nieuwe vloeistofmicroscopietechniek gebruiken om te zien of we in de goede richting gaan."

Tot dusver, lithium-zuurstofbatterijen hebben alleen bestaan ​​als prototypes in het laboratorium, met in massa geproduceerde lithium-zuurstofbatterijen voor openbaar of commercieel gebruik nog ver weg, zei Shahbazian-Yassar. "Er zijn veel problemen die moeten worden overwonnen met lithium-luchtbatterijen voordat ze algemeen kunnen worden gebruikt, maar precies weten wat de problemen zijn, is een grote eerste stap op weg naar de commercialisering van deze batterijen met een extreem hoge energiedichtheid."