Een van de meest veelbelovende nieuwe soorten batterijen om elektrische auto's van stroom te voorzien, is een lithium-luchtbatterij. die tot vier keer zoveel energie per pond kan opslaan als de beste lithium-ionbatterijen van vandaag. Maar de vooruitgang is traag:de aard van de elektrochemische reacties terwijl deze batterijen worden opgeladen, blijft slecht begrepen.

Onderzoekers van MIT en Sandia National Laboratories hebben transmissie-elektronenmicroscoop (TEM) beeldvorming gebruikt om te observeren, op moleculair niveau, wat er gebeurt tijdens een reactie die zuurstofontwikkeling wordt genoemd terwijl lithium-luchtbatterijen worden opgeladen; deze reactie wordt beschouwd als een knelpunt dat verdere verbeteringen aan deze batterijen in de weg staat. De TEM-techniek zou kunnen helpen bij het vinden van manieren om dergelijke batterijen in de nabije toekomst praktisch te maken.

Het werk wordt beschreven in een Nano-letters papier van Robert Mitchell, die onlangs een doctoraat in materiaalkunde en engineering behaalde aan het MIT; werktuigbouwkunde promovendus Betar Gallant; Carl Thompson, de Stavros Salapatas hoogleraar Materials Science and Engineering; Yang Shao-Hoorn, de Gail E. Kendall universitair hoofddocent Werktuigbouwkunde en Materials Science and Engineering; en vier andere auteurs.

Oxidatie in actie

De nieuwe waarnemingen laten zien, Voor de eerste keer, de oxidatie van lithiumperoxide, het materiaal dat tijdens het ontladen wordt gevormd in een lithium-luchtbatterij. Bij hoge laadsnelheden, deze oxidatie vindt meestal plaats op de grens tussen het lithiumperoxide en het koolstofsubstraat waarop het groeit tijdens de ontlading - in dit geval meerwandige koolstofnanobuisjes gebruikt in de batterij-elektrode.

De beperking tot deze interface, Shao-Hoorn zegt, laat zien dat het de weerstand van lithiumperoxide tegen een stroom van elektronen is die het opladen van dergelijke batterijen onder praktische oplaadomstandigheden beperkt.

Een met elektrolyt gecoate sondepunt dient als tegenelektrode voor het verwijderen van lithiumionen tijdens het opladen, terwijl elektronen door het nanobuisraamwerk naar het externe circuit stromen. Tijdens het opladen, de lithiumperoxidedeeltjes krimpen beginnend bij de nanobuis-peroxide-interface, waaruit blijkt dat oxidatie plaatsvindt waar het het gemakkelijkst is om elektronen te verwijderen.

"Het lithiumtransport kan mee, " Shao-Hoorn zegt, wat aangeeft dat elektronentransport een kritische limiet zou kunnen zijn voor het opladen van batterijen voor elektrische voertuigen.

Sneller opladen

In feite, de snelheid van lithiumperoxide-oxidatie in deze experimenten was ongeveer 100 keer sneller dan de oplaadtijd voor lithium-luchtbatterijen op laboratoriumschaal, en benadert wat nodig is voor toepassingen. Dit toont aan dat als de elektronenoverdrachtskarakteristieken van deze batterijen kunnen worden verbeterd, het kan veel sneller opladen mogelijk maken terwijl het energieverlies wordt geminimaliseerd.

"Dit geeft inzicht in het ontwerp van de luchtelektrode, " zegt Shao-Horn. "Voor zover wij weten, dit is het eerste directe bewijs dat elektronentransport het opladen beperkt."

Gallant zegt dat deze bevinding suggereert dat de prestaties van lithium-luchtbatterijen zouden verbeteren als elektroden een structuur met een hoog oppervlak hadden om het contact tussen lithiumperoxide en de koolstof die nodig is om elektronen tijdens het opladen weg te transporteren, te maximaliseren.

De "zeer kritische volgende stap, " Shao-Hoorn zegt, zal zijn om de werkelijke stromen te meten tijdens het opladen. Haar team werkt samen met onderzoekers van Sandia National Laboratories, sommigen van hen waren co-auteurs van dit artikel.

Jie Xiao, een onderzoeker bij Pacific Northwest National Laboratory die niet betrokken was bij dit onderzoek, zegt, "Dit werk heeft de belangrijkste beperkende voorwaarde geïdentificeerd, elektronentransport … een kritische bijdrage leveren."

Xiao voegt toe, "Dit is een goed voorbeeld van hoe fundamenteel onderzoek ons ​​begrip aanzienlijk kan verbeteren om uitdagingen in praktische apparaten op te lossen. De informatie in dit document zal het rationele ontwerp van de luchtelektrode van lithium-luchtbatterijen ten goede komen. ... Dit onderzoek is van hoge kwaliteit en zal brede belangstelling wekken."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.