Voor het lithium-zuurstofbatterijsysteem, het is algemeen bekend dat de laad- en ontlaadreactie eigenaardige reactieproductvormen produceert die op donuts en ballonnen lijken. Nog, hoe deze vormen ontstaan ​​is een mysterie gebleven. Een nieuwe studie van een functionerende nano-lithium-zuurstofbatterij op atomaire schaal in een zuurstofatmosfeer biedt aanwijzingen voor het oplossen van dit mysterie.

De ontdekking van de lithium-zuurstofreactieroute legt de basis voor kwantitatieve modellering van elektrochemische processen in het lithium-zuurstofsysteem, inzicht geven in hoe lithium-zuurstofbatterijen het beste kunnen worden ontworpen met een hoge capaciteit en een langere levensduur.

Het lithium-zuurstofbatterijsysteem wordt gezien als een technologie die de elektromotorische industrie mogelijk maakt. Echter, vooruitgang in onderzoek en ontwikkeling van een lithium-zuurstofbatterij is ernstig belemmerd door twee onbeantwoorde vragen. Eerst, wat is de elektrochemische reactieroute bij het ontladen en opladen van de batterij? Tweede, wat is de relatie tussen de gecompliceerde vormen van het reactieproduct en het reactiepad? Antwoorden op deze twee vragen zijn fundamenteel, maar essentieel voor de ontwikkeling van de lithium-zuurstofbatterijen.

Om deze kenniskloof aan te pakken, een team van onderzoekers van het Pacific Northwest National Laboratory; Tianjin Polytechnische Universiteit van China; en EMSL, het Environmental Molecular Sciences Laboratory, gebruikte geavanceerde in-situ beeldvormingstechnieken - de omgevingstransmissie-elektronenmicroscoop - bij EMSL, een Department of Energy Office of Science gebruikersfaciliteit, om een ​​nano-lithium-zuurstofbatterij te observeren tijdens het laden en ontladen. Ze ontdekten dat zuurstof reageert met lithium op koolstofnanobuisjes om een ​​metastabiel lithiumoxide te vormen.

Dit oxide transformeert in een stabieler lithiumoxide en geeft zuurstofgas vrij dat deeltjes uitzet (opblaast) tot een holle structuur, het produceren van donut- en ballonvormen. Deze waarneming toont meer in het algemeen aan dat de manier waarop de vrijgekomen zuurstof wordt opgenomen de vorming van de gecompliceerde morfologie van het reactieproduct in een lithium-zuurstofbatterij bepaalt. De resultaten van dit werk beantwoorden niet alleen de twee hierboven geschetste vragen, maar geven ook inzicht in ionen- en elektronentransport gekoppeld aan massastroom voor de lithium-zuurstofbatterij.