(Phys.org) - Som deras namn antyder, Li-luftbatterier använder luft för att driva, dra ut syremolekyler för användning i en porös, kolbaserad katod, när du använder litium i anoden. Eftersom användning av luft betyder att batteriet inte behöver lagra en tung laddningskälla vid katoden, batterierna kan ge en extremt hög energitäthet, håller nästan lika mycket energi i en given volym som bensin, och 5-10 gånger mer än litiumjonbatterier. Trots denna stora överklagande, Li-luftbatterier står fortfarande inför många begränsningar som hindrar dem från kommersialisering. I en ny studie, ett team av forskare har tagit sig an en av dessa utmaningar:reversibilitet, vilket är nödvändigt för att kunna ladda batteriet flera gånger.
Forskarna, Thomas Arruda, Amit Kumar, Sergei Kalinin, och Stephen Jesse vid Oak Ridge National Laboratory i Tennessee, har publicerat ett papper i ett nyligen utgåva av Nanoteknik där de undersöker faktorer som styr reversibiliteten av partikeltillväxten på en elektrolyt som ligger bakom Li-luftbatterier och nanobatterier.
”Vi tror att detta arbete banar väg för att studera irreversibel eller kvasi-reversibel nanoskalaelektrokemi-i materialsystem som sträcker sig från Li-luftbatterier till mer etablerade områden som korrosion, galvanisering, och många andra, ”Berättade Kalinin Phys.org .
“Primära Li -batterier, som är uppladdningsbara och engångsartiklar, har hög energitäthet och har varit kommersiellt tillgängliga sedan 1960 -talet; dock, de kan bara användas en gång, Sa Arruda. "För att dessa celler ska vara konkurrenskraftiga, till exempel, med fossila bränslen (dvs. fordonsapplikationer), de måste laddas hundratals, om inte tusentals, gånger. Tänk på den genomsnittliga pendeltankningen en gång i veckan. Detta motsvarar mer än 500 fyllningar under ett decennium. Ett bil-Li-luftbatteri skulle behöva matcha detta kriterium, även utan att beakta kostnader eller andra viktiga mätvärden. Faktiskt, reversibilitet är fortfarande den enskilt viktigaste och svåraste uppgiften att uppnå för Li-luftbatterier, vilket framgår av den intensiva granskningen av de ledande batteriexperterna. ”
När ett laddat Li-air-batteri används, Li -jonerna i anoden reser till katoden, där de reagerar med syre via en syrereduktionsreaktion. Elektronerna som härrör från denna reaktion skördas sedan och används för att tillhandahålla elektricitet för elektroniska enheter. För att ladda batteriet, Lijonerna måste resa från katoden tillbaka till anoden. Som forskarna förklarar, anledningen till att det är så svårt att göra Li-air-batterier laddbara är att batterierna kombinerar de svåraste processerna som används i både batterier och bränsleceller.
"Grunden för dessa processer är ett överflöd av ogynnsamma kemikalier, såsom dålig löslighet av reaktionsprodukter (LiOx -arter), långsam reaktionskinetik, och benägenheten för Li metal att reagera ogynnsamt med nästan allt, ”Sa Jesse. "För anodens fall, elektroavsättningen av Li-joner till metalliska Li fortsätter ofta med bildandet av nålliknande Li-partiklar som kallas dendriter. Dessa partiklar påverkar batteriet negativt genom att (1) kopplas bort från anoden och därmed vara otillgängliga för att delta i reaktionen och (2) öka risken för en intern kortslutning som kan orsaka termisk flykt och brand. Vid katoden, syrereduktionsreaktionen är fortfarande en lika stor utmaning för Li-luftbatterier som för bränsleceller. När de två reaktionerna kombineras, de bildar en blandning av olösliga produkter som är svåra att reagera omvänt och så småningom kväver katoden. ”
I deras studie, forskarna använde ett atomkraftmikroskop (AFM) för att undersöka batteriets reversibilitet genom att analysera tillväxten av Li -partiklar. Medan du sveper förspänningen hos en 20 nm AFM-spets över ytan på en litiumjonledande glaskeramisk elektrolyt, de mätte förändringen i spetshöjd under cykelprocessen. De fann att ökningar och minskningar i spetshöjden motsvarar förändringar i strömmen, tillåta dem att demonstrera förekomsten av reversibilitet samt kartlägga graden av reversibilitet på olika platser.
I framtiden, forskarna hoppas kunna förbättra reversibiliteten ytterligare, och notera att Li-air-batterier fortfarande står inför många andra utmaningar innan de kan bli kommersialiserade.
”Teknologisk utveckling och systemteknik för alla huvudkomponenter i Li-luftbatterier krävs för att marknadsföra denna teknik, ”Sa Kalinin. ”Det behövs bättre katalysatorer på katoden, Li -anodskydd utan funktionellt hinder förblir avgörande, och överlägsna multifunktionella elektrolyter behöver utvecklas. Den allestädes närvarande nödvändigheten att förstå grundläggande processer på den mest grundläggande nivån av de viktigaste batterikomponenterna är fortfarande högsta prioritet. Först efter att en övergripande förståelse för de elementära processerna har uppnåtts kan kemikalierna finjusteras och systemen konstrueras ordentligt för att uppfylla de mått som applikationen kräver. ”
Om forskare kan övervinna dessa utmaningar, Li-luftbatterier kan eventuellt lagra energi för en mängd olika applikationer.
”Om Li-luftbatterier kunde realiseras, den primära applikationen skulle vara för transport och andra situationer där rörlighet är nödvändig (som bärbara datorer, etc.) eftersom de kommer att vara mycket lätta för mängden energi de lagrar, ”Sa Arruda. ”Optimering av Li-luftbatterier för att inkludera ett stort antal laddnings-/urladdningscykler kommer att sänka kostnaden och göra helt elektriska fordon till verklighet utan behov av tunga batterier som nuvarande situation. Utöver detta, det är lätt att föreställa sig denna teknik (Li-air nanobatteries) som tillämpas på mikroelektromekaniska och nanoelektromekaniska system (MEMS och NEMS). Det kan vara de perfekta systemen för att använda sådana energikällor eftersom de skulle ha mycket lägre energibehov och kan fungera under längre perioder. ”
Copyright 2012 Phys.Org
Alla rättigheter förbehållna. Detta material får inte publiceras, utsända, omskrivet eller omfördelat helt eller delvis utan uttryckligt skriftligt tillstånd från PhysOrg.com.
