Litium-syrebränsleceller har energitäthetsnivåer jämförbara med fossila bränslen och ses därför som en lovande kandidat för framtida transportrelaterade energibehov.
Flera vägspärrar står i vägen för att förverkliga den visionen, dock. De inkluderar dålig laddningsbarhet, minskad effektivitet på grund av höga överpotentialer (mer laddningsenergi än urladdningsenergi) och låg specifik energi.
Två instabiliteter bidrar till dessa vägspärrar. Mycket av det tidigare arbetet som gjorts i Lynden Archers labb, James A. Friend Family Distinguished Professor of Engineering vid Robert F. Smith School of Chemical and Biomolecular Engineering (CBE), har centrerats på en:kärnbildning och tillväxt av dendriter från en elektrod till den andra, som orsakar kortslutning, en källa till för tidigt cellfel som alltid slutar i bränder.
Det är den andra instabiliteten – förlusten av batterikraft, även känd som kapacitetsfade – det är fokus för labbets senaste arbete. Snehashis Choudhury, en doktorand i Archer Research Group, har kommit fram till vad Archer kallar ett "genialiskt" svar på problemet med kapacitetsfading.
Deras arbete beskrivs i detalj i "Designers interphases for the litium-oxygen electrochemical cell, " publicerad 21 april i Vetenskapens framsteg . Choudhury är co-first författare tillsammans med Charles Wan '17, huvudämne i kemiteknik.
Kapacitetsblekning inträffar när elektrolyten, som transporterar laddade joner från den negativa elektroden (anod) till den positiva (katoden), reagerar med elektroderna. "Det börjar konsumera elektroderna, " Choudhury sade. "Det bildar många isolerande produkter som hindrar jontransport. Över tid, dessa bygger upp för att producera ett sådant oöverkomligt internt cellmotstånd att batteriet slutligen bleknar."
Problemet:Hur stoppar man en elektrolyt-elektrodreaktion, när det är en annan nödvändig reaktion mellan de två – överföringen av joner – som producerar kraft? Choudhurys lösning kallas en artificiell fast-elektrolyt-interfas (SEI), ett material som skyddar elektroderna samtidigt som det främjar flödet av elektroner från ena änden av cellen till den andra.
"Sådana mellanfaser bildas naturligt i alla elektrokemiska celler ... och deras kemo-mekaniska stabilitet är avgörande för framgången för grafitanoden i litiumjonbatterier, " sa Archer."
Choudhurys tillvägagångssätt för att skapa en funktionell designerinterfas är baserad på bromidinnehållande joniska polymerer (jonomerer) som selektivt binder till litiumanoden för att bilda en några nanometer tjock ledande beläggning som skyddar elektroden från nedbrytning och blekning. SEI-jonomererna uppvisar tre attribut som möjliggör ökad stabilitet under elektroavsättning:skydd av anoden mot tillväxt av dendriter; reduktion-oxidation (redox) förmedling, vilket minskar laddningsöverpotentialen; och bildandet av en stabil interfas med litium, skyddar metallen samtidigt som jontransporten främjas.
En utmaning finns fortfarande:Alla elektrokemiska litium-syreceller av forskningskvalitet utvärderas med rent syre som aktivt katodmaterial. För ett kommersiellt gångbart litium-syre (eller litium-luft, som det också kallas) cell, det skulle behöva dra syre ur luften, och att syre även innehåller andra reaktiva komponenter, som fukt och koldioxid.
Om ineffektiviteten som begränsar prestanda hos litium-syrebränsleceller kan lösas, de exceptionella energilagringsalternativen som cellkemin erbjuder skulle vara ett stort steg framåt för elektrifierade transporter och ett revolutionerande framsteg för autonom robotik, sa Archer.
"Det är talande från observationer av de mest avancerade humanoida robotarna att de alltid antingen är bundna till en ultralång elektrisk kabel eller använder något som en högljudd gräsklipparmotor för att generera energi, ", sa Archer. "Bån av energikällorna står sig dåligt i jämförelse med de levande system som har utvecklats - energilagringsteknologier som Li-air-celler som utnyttjar material från omgivningen lovar att stänga detta gap."
Andra bidragsgivare var Lena Kourkoutis, biträdande professor och Rebecca Q. och James C. Morgan Sesquicentennial Faculty Fellow i tillämpad och teknisk fysik; CBE doktorand Wajdi Al Sadat; Sampson Lau, Ph.D. '16; Zhengyuan Tu, doktorand i materialvetenskap och teknik; och Michael Zachman, doktorand i tillämpad och teknisk fysik.
Archer noterade att Wan och Lau byggde den elektrokemiska cellen, inklusive design av katodkonfigurationen, används i sina experiment.
"Charles är en exceptionell student, " Archer sa. "Undergraduates är här främst för att fokusera på att få en förstklassig utbildning och har historiskt sett haft lite tid att bedriva forskning. Men de ägnar sig alltmer åt forskning, och på en nivå som i vissa fall är jämförbar med vår bästa Ph.D. studenter."
"Jag har verkligen turen att ha professor Archer som mentor, " sade Wan. "Denna publikation är ett bevis på att studenter kan spela en avgörande roll i forskningen om de får chansen, något professor Archer helhjärtat tror på."
