En redoxprocess med fyra elektroner i en Li-syrecell elektrokatalyseras av en bifunktionell litierad nickeloxid-smält saltkompositkatod vid förhöjd temperatur för att bilda Li2O. Den utvecklar syre på laddning med nära 100 % coulombisk effektivitet. Kredit:Chun Xia och Chun Yuen Kwok
Kemister från University of Waterloo har framgångsrikt löst två av de mest utmanande problemen kring litium-syrebatterier, och i processen skapade ett fungerande batteri med nära 100 procent coulombisk effektivitet.
Det nya verket, som visas denna vecka i Vetenskap , bevisar att fyra-elektronomvandling för litium-syreelektrokemi är mycket reversibel. Teamet är det första att uppnå fyra-elektronkonvertering, som fördubblar elektronlagringen av litiumsyre, även känd som litium-luft, batterier.
"Det finns begränsningar baserade på termodynamik, sa Linda Nazar, Kanada forskningsordförande för Solid State Energy Materials och senior författare på projektet. "Ändå, vårt arbete har tagit upp grundläggande frågor som människor har försökt lösa under lång tid."
Den höga teoretiska energitätheten av litium-syre (Li-O 2 )-batterier och deras relativt låga vikt har gjort dem till den heliga gralen av uppladdningsbara batterisystem. Men långvariga problem med batteriets kemi och stabilitet har hållit dem till en ren akademisk kuriosa.
Två av de mer allvarliga problemen involverar mellanliggande cellkemi (superoxid, LiO 2 ) och peroxidprodukten (Li2O 2 ) reagerar med den porösa kolkatoden, försämrar cellen inifrån. Dessutom, superoxiden förbrukar den organiska elektrolyten i processen, vilket kraftigt begränsar cykelns livslängd.
Nazar och hennes kollegor bytte den organiska elektrolyten till ett mer stabilt oorganiskt smält salt och den porösa kolkatoden till en bifunktionell metalloxidkatalysator. Genom att sedan använda batteriet vid 150 C, de fann att den mer stabila produkten Li2O bildas istället för Li2O 2 . Detta resulterar i ett mycket reversibelt Li-syrebatteri med en coulombisk effektivitet som närmar sig 100 procent.
Genom att lagra O 2 som litiumoxid (Li2O) istället för litiumperoxid (Li2O 2 ), batteriet bibehöll inte bara utmärkta laddningsegenskaper, den uppnådde den maximala fyra-elektronöverföringen i systemet, ökar därmed den teoretiska energilagringen med 50 procent.
"Genom att byta ut elektrolyten och elektrodvärden och höja temperaturen, vi visar att systemet fungerar anmärkningsvärt bra, sa Nazar, som också är universitetsforskare vid Institutionen för kemi vid Waterloo.
