(Phys.org) -- Zoals hun naam al doet vermoeden, Li-air-batterijen gebruiken lucht om te werken, zuurstofmoleculen eruit halen om te gebruiken in een poreuze, op koolstof gebaseerde kathode, tijdens het gebruik van lithium in de anode. Omdat het gebruik van lucht betekent dat de batterij geen zware ladingsbron hoeft op te slaan bij de kathode, de batterijen kunnen een extreem hoge energiedichtheid leveren, met bijna net zoveel energie in een bepaald volume als benzine, en 5-10 keer meer dan Li-ion batterijen. Ondanks deze grote oproep, Li-air-batterijen hebben nog steeds te maken met veel beperkingen die hen ervan weerhouden om op de markt te komen. In een nieuwe studie, een team van onderzoekers heeft een van deze uitdagingen aangepakt:omkeerbaarheid, die nodig is om de batterij meerdere keren op te kunnen laden.

De onderzoekers, Thomas Arruda, Amit Kumar, Sergej Kalinin, en Stephen Jesse van het Oak Ridge National Laboratory in Tennessee, hebben een artikel gepubliceerd in een recent nummer van Nanotechnologie waarin ze factoren onderzoeken die de omkeerbaarheid van de deeltjesgroei op een elektrolyt bepalen die ten grondslag ligt aan Li-air-batterijen en nanobatterijen.

"Wij geloven dat dit werk de weg vrijmaakt voor het bestuderen van onomkeerbare of quasi-omkeerbare elektrochemie op nanoschaal - in materiaalsystemen variërend van Li-air-batterijen tot meer gevestigde gebieden zoals corrosie, galvaniseren, en vele anderen, ” vertelde Kalinin Phys.org .

“Primaire Li-batterijen, die niet-oplaadbaar en wegwerpbaar zijn, hebben een hoge energiedichtheid en zijn sinds de jaren zestig in de handel verkrijgbaar; echter, ze kunnen maar één keer worden gebruikt, ’ zei Arruda. “Om ervoor te zorgen dat deze cellen concurrerend zijn, bijvoorbeeld, met fossiele brandstoffen (bijv. automobieltoepassingen), ze moeten honderden worden opgeladen, zo niet duizenden, tijden. Denk aan de gemiddelde forens die één keer per week tankt. Dit komt neer op meer dan 500 vullingen in de loop van een decennium. Een auto-Li-air-batterij zou aan dit criterium moeten voldoen, zelfs zonder rekening te houden met kosten of andere belangrijke statistieken. In feite, omkeerbaarheid blijft de belangrijkste en moeilijkste taak voor Li-air-batterijen, zoals blijkt uit de intense controle van de toonaangevende batterij-experts.”

Wanneer een opgeladen Li-air-batterij in gebruik is, de Li-ionen in de anode gaan naar de kathode, waar ze reageren met zuurstof via een zuurstofreductiereactie. De elektronen die uit deze reactie ontstaan, worden vervolgens geoogst en gebruikt om elektrische apparaten van elektriciteit te voorzien. Om de batterij op te laden, de Li-ionen moeten van de kathode terug naar de anode reizen. Zoals de onderzoekers uitleggen, de reden waarom het zo moeilijk is om Li-air-batterijen oplaadbaar te maken, is omdat de batterijen de moeilijkste processen combineren die worden gebruikt in zowel batterijen als brandstofcellen.

"De basis van deze processen is een overvloed aan ongunstige chemische stoffen, zoals de slechte oplosbaarheid van reactieproducten (LiOx-soorten), langzame reactiekinetiek, en de neiging van Li-metaal om met bijna alles ongunstig te reageren, ’ zei Jesse. “Voor het geval van de anode, de elektrodepositie van Li-ionen op metallisch Li verloopt vaak met de vorming van naaldachtige Li-deeltjes die dendrieten worden genoemd. Deze deeltjes hebben een negatieve invloed op de batterij door (1) losgekoppeld te raken van de anode en dus niet meer beschikbaar te zijn om deel te nemen aan de reactie en (2) het risico op interne kortsluiting te vergroten die thermische uitbarsting en brand zou kunnen veroorzaken. Bij de kathode, de zuurstofreductiereactie blijft voor Li-air-batterijen een even grote uitdaging als voor brandstofcellen. Wanneer de twee reacties worden gecombineerd, ze vormen een mengsel van onoplosbare producten die moeilijk omgekeerd kunnen reageren en uiteindelijk de kathode verstikken.”

In hun studie hebben de onderzoekers gebruikten een atomic force microscope (AFM) om de omkeerbaarheid van batterijen te onderzoeken door de groei van Li-deeltjes te analyseren. Terwijl de bias van een 20-nm AFM-tip over het oppervlak van een Li-ion geleidende glaskeramische elektrolyt wordt geveegd, ze maten de verandering in tiphoogte tijdens het fietsproces. Ze ontdekten dat stijgingen en dalingen in de tiphoogte overeenkomen met veranderingen in stroom, waardoor ze het bestaan ​​van omkeerbaarheid kunnen aantonen en de mate van omkeerbaarheid op verschillende locaties in kaart kunnen brengen.

In de toekomst, de onderzoekers hopen de omkeerbaarheid verder te verbeteren, en merk op dat Li-air-batterijen nog steeds met veel andere uitdagingen worden geconfronteerd voordat ze op de markt kunnen worden gebracht.

“Technologische ontwikkelingen en systeemtechniek voor alle belangrijke componenten van Li-air-batterijen zijn vereist om deze technologie op de markt te brengen, ' zei Kalinin. “Er zijn betere katalysatoren nodig op de kathode, Li-anodebescherming zonder functionele belemmering blijft van het grootste belang, en superieure multifunctionele elektrolyten moeten worden ontwikkeld. De alomtegenwoordige noodzaak om fundamentele processen op het meest basale niveau van de belangrijkste batterijcomponenten te begrijpen, blijft een topprioriteit. Pas nadat een uitgebreid begrip van de elementaire processen is bereikt, kan de chemie worden verfijnd en kunnen de systemen goed worden ontworpen om te voldoen aan de door de toepassing vereiste meetwaarden.”

Als onderzoekers deze uitdagingen kunnen overwinnen, Li-air-batterijen kunnen mogelijk energie opslaan voor een breed scala aan toepassingen.

“Als Li-air-batterijen zouden kunnen worden gerealiseerd, de primaire toepassing zou zijn voor transport en andere situaties waar mobiliteit noodzakelijk is (zoals laptops, enz.) omdat ze erg licht zullen zijn voor de hoeveelheid energie die ze opslaan, ' zei Arruda. “De optimalisatie van Li-air-batterijen met een groot aantal laad- en ontlaadcycli zal de kosten verlagen en volledig elektrische voertuigen mogelijk maken zonder de noodzaak van zware batterijen, zoals de huidige situatie is. Achter dit, het is gemakkelijk voor te stellen dat deze technologie (Li-air nanobatterijen) wordt toegepast op micro-elektromechanische en nano-elektromechanische systemen (MEMS en NEMS). Dit kunnen de ideale systemen zijn om dergelijke energiebronnen te gebruiken, omdat ze een veel lagere energiebehoefte hebben en voor langere tijd kunnen werken."

Copyright 2012 Phys.Org
Alle rechten voorbehouden. Dit materiaal mag niet worden gepubliceerd, uitzending, geheel of gedeeltelijk herschreven of herverdeeld zonder de uitdrukkelijke schriftelijke toestemming van PhysOrg.com.