Niet-waterige lithium-zuurstof (Li-O ₂ ) batterijen kunnen energie opslaan in dichtheden die vergelijkbaar zijn met die van benzine. Het commercialiseren van deze opkomende technologie, echter, doorbraken zullen nodig zijn om de batterijen efficiënt op te laden. Hye Ryung Byon en Eda Yilmaz van de RIKEN Byon Initiative Research Unit hebben een grote stap gezet in de richting van dit doel door de oplaadefficiëntie van Li-O aanzienlijk te verbeteren ₂ batterijen door oordeelkundige toepassing van katalytisch rutheniumoxide (RuO ₂ ) nanodeeltjes.

Li-O2-batterijen elimineren de zware metaaloxide-kathodes die worden gebruikt in conventionele lithium-ionbatterijen om lithium direct te laten reageren met atmosferische zuurstof op kathoden die zijn gemaakt van licht, poreuze materialen zoals koolstofnanobuisjes. Wanneer de batterij leeg raakt, lithiumionen en zuurstofgas reageren om lithiumperoxide te vormen (Li ₂ O ₂ ) kristallen op de kathode. Om de batterij op te laden, de isolerende Li ₂ O ₂ kristallen moeten worden ontleed - een reactie die aanzienlijke oplaadmogelijkheden vereist, die de levensduur van de batterij kan verkorten.

Byon en Yilmaz probeerden de efficiëntie van het opladen van de batterij te verbeteren door RuO . toe te voegen ₂ nanodeeltjes naar de koolstof nanobuis kathoden. "RuO ₂ heeft een optimale oppervlakte-energie voor zuurstofadsorptie en is een goede katalysator voor oxidatiereacties, " legt Yilmaz uit. Echter, omdat de meeste op ruthenium gebaseerde katalysatoren worden uitgevoerd in waterige oplossingen, het team moest voorzichtig te werk gaan om te begrijpen wat er zou gebeuren als RuO ₂ werd omringd door solide Li ₂ O ₂ .

Experimenten toonden aan dat de nieuwe composiet van RuO2/koolstof nanobuisjes het oplaadpotentieel van de batterij aanzienlijk verlaagde in vergelijking met kathodes die alleen van nanobuisjes waren gemaakt. Om te begrijpen waarom, de onderzoekers werkten samen met het Synchrotron Radiation Center aan de Ritsumeikan University in Kyoto om de ontladingsproducten te karakteriseren met behulp van een aantal technieken, waaronder röntgenabsorptiespectroscopie en elektronenmicroscopie. Uit deze tests bleek dat de Li ₂ O ₂ deposito's op de RuO ₂ -geladen nanobuisjes hadden een amorfe morfologie die heel anders was dan die van andere Li-O ₂ batterij systeem.

De elektronenmicroscopiebeelden toonden aan dat Li ₂ O ₂ deeltjes die zich vormden op de kale kathoden van nanobuisjes hadden grote, halovormige kristallen. op de RuO ₂ /koolstof nanobuis kathoden, echter, een vormloze laag Li ₂ O ₂ bedekte de gehele nanobuis (Fig. 1). Het team merkt op dat deze Li2O2-laag een groot contactoppervlak heeft met de geleidende koolstofnanobuiskathode. Bijgevolg, Li ₂ O ₂ ontleding kan worden bereikt met minder energie, wat resulteert in een verbeterde batterij-efficiëntie.

"Dit is een van de eerste onderzoeken die aantoont hoe katalysatoren niet-waterige Li-O . beïnvloeden ₂ batterijen; tot nu toe is er weinig aandacht geweest voor de impact van de Li2O2-structuur op de batterijprestaties, "zegt Byon. "Dit onderzoek zou als richtlijn kunnen dienen voor toekomstige alternatieve benaderingen."