Litium-luftbatterier är redo att bli nästa revolutionerande ersättning för för närvarande använda litiumjonbatterier som driver elfordon, mobiltelefoner och datorer.

Litium-luftbatterier, som för närvarande fortfarande befinner sig i experimentella utvecklingsstadier, kan lagra 10 gånger mer energi än litiumjonbatterier, och de är mycket lättare. Som sagt, litium-luft-batterier kan vara ännu effektivare och ge mer laddning med införandet av avancerade katalysatorer gjorda av tvådimensionella material. Katalysatorer hjälper till att öka hastigheten för kemiska reaktioner inuti batterier, och beroende på vilken typ av material som katalysatorn är gjord av, de kan avsevärt öka batteriets förmåga att hålla och ge energi.

"Vi kommer att behöva batterier med mycket hög energidensitet för att driva ny avancerad teknik som är inbyggd i telefoner, bärbara datorer och särskilt elfordon, " sa Amin Salehi-Khojin, docent i maskin- och industriteknik vid UIC:s Ingenjörshögskola. Salehi-Khojin och hans kollegor syntetiserade flera 2D-material som kan fungera som katalysatorer. Ett antal av deras 2D-material, när de ingår i experimentella litium-luftbatterier som katalysator, gjorde det möjligt för batteriet att hålla upp till 10 gånger mer energi än litium-luftbatterier som innehåller traditionella katalysatorer. Deras resultat publiceras i tidskriften Avancerade material .

"För närvarande, elfordon i genomsnitt cirka 100 miles per laddning, men med införandet av 2D-katalysatorer i litium-luftbatterier, vi skulle kunna tillhandahålla närmare 400 till 500 miles per laddning, som skulle vara en riktig spelväxling, " sa Salehi-Khojin, som också är motsvarande författare till tidningen. "Det här skulle vara ett stort genombrott inom energilagring."

Salehi-Khojin och hans kollegor syntetiserade 15 olika typer av 2-D övergångsmetalldikalkogenider eller TMDC. TMDC är unika föreningar eftersom de har hög elektronisk ledningsförmåga och snabb elektronöverföring som kan användas för att delta i reaktioner med andra material, såsom reaktionerna som sker inuti batterier under laddning och urladdning.

Utredarna studerade experimentellt prestandan hos 15 TMDC:er som katalysatorer i ett elektrokemiskt system som efterliknar ett litium-luftbatteri.

"I sin 2D-form, dessa TMDC har mycket bättre elektroniska egenskaper och större reaktiv yta för att delta i elektrokemiska reaktioner inom ett batteri medan deras struktur förblir stabil, " förklarade Leily Majidi, en doktorand vid UIC College of Engineering och första författare till uppsatsen.

"Reaktionshastigheterna är mycket högre med dessa material jämfört med konventionella katalysatorer som används som guld eller platina, " sa Majidi.

En av anledningarna till att 2-D TDMC presterade så bra är att de hjälper till att påskynda både laddnings- och urladdningsreaktioner som inträffar i litium-luftbatterier.

"Detta skulle vara vad som är känt som bi-funktionalitet av katalysatorn, " sa Salehi-Khojin.

2D-materialen synergerar också med elektrolyten - materialet genom vilket joner rör sig under laddning och urladdning.

"2D TDMC och den joniska flytande elektrolyten som vi använde fungerar som ett samkatalysatorsystem som hjälper elektronerna att överföras snabbare, leder till snabbare laddningar och effektivare lagring och urladdning av energi."

"Dessa nya material representerar en ny väg som kan ta batterier till nästa nivå, vi behöver bara utveckla sätt att producera och trimma dem mer effektivt och i större skalor, " sa Salehi-Khojin.