Forskare vid University of Illinois i Chicago och vid Argonne National Laboratory har designat ett nytt litium-luftbatteri som fungerar i en naturlig luftmiljö och fortfarande fungerade efter rekordstora 750 laddnings-/urladdningscykler. Deras resultat rapporteras i tidskriften Natur .

"Vår litium-luftbatteridesign representerar en revolution inom batterisamhället, " sa Amin Salehi-Khojin, biträdande professor i maskin- och industriteknik och medförfattare till uppsatsen. "Denna första demonstration av ett äkta litium-luftbatteri är ett viktigt steg mot vad vi kallar "bortom litiumjonbatterier", men vi har mer att göra för att kommersialisera det."

Litium-luftbatterier – tros kunna hålla upp till fem gånger mer energi än litiumjonbatterierna som driver våra telefoner, bärbara datorer och elfordon – har lockat batteriforskare i flera år. Men flera hinder har plågat deras utveckling.

Batterierna skulle fungera genom att kombinera litium som finns i anoden med syre från luften för att producera litiumperoxid på katoden under urladdningsfasen. Litiumperoxiden skulle brytas ner till dess litium- och syrekomponenter under laddningsfasen.

Tyvärr, experimentella konstruktioner av sådana litium-luftbatterier har inte kunnat fungera i en verklig naturlig luftmiljö på grund av oxidationen av litiumanoden och produktionen av oönskade biprodukter på katoden som härrör från litiumjoner som kombineras med koldioxid och vattenånga i luft. Dessa biprodukter tuggar upp katoden, som så småningom blir helt belagd och oförmögen att fungera. Dessa experimentbatterier har förlitat sig på tankar med rent syre - vilket begränsar deras praktiska funktion och utgör allvarliga säkerhetsrisker på grund av syrebrännbarheten.

"Några andra har försökt bygga litium-luftbattericeller, men de misslyckades på grund av dålig cykellivslängd, sa Larry Curtiss, medförfattare och Argonne Distinguished Fellow.

UIC-Argonnes forskargrupp övervann dessa utmaningar genom att använda en unik kombination av anod, katod och elektrolyt – de tre huvudkomponenterna i alla batterier – för att förhindra anodoxidation och ansamling av batteridödande biprodukter på katoden och låta batteriet fungera i en naturlig luftmiljö.

De belade litiumanoden med ett tunt lager av litiumkarbonat som selektivt tillåter litiumjoner från anoden att komma in i elektrolyten samtidigt som de förhindrar oönskade föreningar från att nå anoden.

I ett litium-luftbatteri, katoden är helt enkelt där luften kommer in i batteriet. I experimentell design av litium-luftbatterier, syre, tillsammans med alla andra gaser som utgör luft, kommer in i elektrolyten genom en kolbaserad svampig gallerstruktur.

Salehi-Khojin och hans kollegor belade gitterstrukturen med en molybdendisulfatkatalysator och använde en unik hybridelektrolyt gjord av jonisk vätska och dimetylsulfoxid, en vanlig komponent i batterielektrolyter, som hjälpte till att underlätta litium-syrereaktioner, minimera litiumreaktioner med andra element i luften och öka batteriets effektivitet.

"Den kompletta arkitektoniska översynen vi utförde på det här batteriet genom att designa om varje del av det, hjälpte oss att möjliggöra de reaktioner vi ville uppstå och förhindra eller blockera de som i slutändan skulle få batteriet att ta slut, " sa Salehi-Khojin.

UIC-teamet byggde, testat, analyserade och karakteriserade battericellerna. Argonne-gruppen, tillsammans med kollegor vid UIC och California State University, utförde beräkningsanalyserna.