Metall-luftbatterier har eftersträvats som en efterföljare till litiumjonbatterier på grund av deras exceptionella gravimetriska energidensiteter. De skulle potentiellt kunna göra det möjligt för elbilar att resa tusen mil eller mer på en enda laddning.

En lovande ny medlem av alkalimetall-luftbatterifamiljen är kalium-luftbatteriet, som har mer än tre gånger den teoretiska gravimetriska energitätheten hos litiumjonbatterier. En viktig utmaning vid konstruktion av kalium-luftbatterier är att välja rätt elektrolyt, vätskan som underlättar överföringen av joner mellan katoden och anoden.

Vanligtvis, elektrolyter väljs med hjälp av en trial-and-error-metod baserad på tumregler som korrelerar flera elektrolytegenskaper, följt av uttömmande (och tidskrävande) testning av flera elektrolytkandidater för att se om önskad prestanda uppnås.

Forskare från Washington University i St. Louis, ledd av Vijay Ramani, Roma B. och Raymond H. Wittcoff framstående professor i miljö och energi vid McKelvey School of Engineering, har nu visat hur elektrolyter för alkalimetall-luftbatterier kan väljas med en enda, en parameter som är lätt att mäta.

Deras arbete publicerades 8 juli i Proceedings of the National Academy of Sciences .

Ramanis team studerade de grundläggande interaktionerna mellan saltet och lösningsmedlet i elektrolyten och visar hur dessa interaktioner kan påverka batteriets totala prestanda. De utvecklade en ny parameter, nämligen den "elektrokemiska" Thiele-modulen, ett mått på lättheten för jontransport till och reaktion vid en elektrodyta.

Denna forskning dokumenterar första gången som den Nobelprisbelönta Marcus-Hush-teorin om elektronöverföring har använts för att studera effekten av elektrolytsammansättning på jonernas rörelse genom elektrolyten, och deras reaktion vid elektrodens yta.

Denna Thiele-modul visade sig minska exponentiellt med ökande lösningsmedelsreorganiseringsenergi - ett mått på energin som behövs för att modifiera solvatiseringssfären hos en löst art. Således, lösningsmedlets omorganisationsenergi skulle kunna användas för att rationellt välja elektrolyter för högpresterande metall-luftbatterier. Inget mer trial-and-error.

"Vi började med att försöka förstå elektrolytens inverkan på syrereduktionsreaktionen i metall-luftbatterisystem, " sa Shrihari Sankarasubramanian, en forskare i Ramanis team och huvudförfattare till studien.

"Det slutade med att vi visade hur diffusionen av joner i elektrolyten och reaktionen av dessa joner på elektrodytan båda är korrelerade till den energi som behövs för att bryta solvatiseringsskalet runt de lösta jonerna."

"Att visa hur en enskild parameterbeskrivning av solvatiseringsenergin korrelerar med både jontransport och ytreaktionskinetik är ett genombrottsframsteg, "Sa Ramani. "Det kommer att tillåta oss att rationellt utveckla nya högpresterande elektrolyter för metall-luft-batterier."