En av de mest lovande nya typerna av batterier för att driva elbilar kallas ett litium-luftbatteri, som kan lagra upp till fyra gånger så mycket energi per pund som dagens bästa litiumjonbatterier. Men framstegen har gått långsamt:De elektrokemiska reaktionernas karaktär när dessa batterier laddas förblir dåligt förstått.

Forskare vid MIT och Sandia National Laboratories har använt överföringselektronmikroskop (TEM) för att observera, på molekylär nivå, vad som händer under en reaktion som kallas syreutveckling när litium-luftbatterier laddas; denna reaktion anses vara en flaskhals som begränsar ytterligare förbättringar av dessa batterier. TEM -tekniken kan hjälpa till att hitta sätt att göra sådana batterier praktiska inom en snar framtid.

Arbetet beskrivs i a Nano bokstäver papper av Robert Mitchell, som nyligen tog en doktorsexamen i materialvetenskap och teknik från MIT; maskinteknik doktorand Betar Gallant; Carl Thompson, Stavros Salapatas professor i materialvetenskap och teknik; Yang Shao-Horn, Gail E. Kendall docent i maskinteknik och materialvetenskap och teknik; och fyra andra författare.

Oxidation i aktion

De nya observationerna visar, för första gången, oxidationen av litiumperoxid, materialet som bildas vid urladdning i ett litium-luftbatteri. Vid höga laddningshastigheter, denna oxidation sker mestadels vid gränsen mellan litiumperoxiden och kolsubstratet på vilket den växer under urladdning - i detta fall, flerväggiga kolnanorör som används i batterielektroden.

Begränsningen till detta gränssnitt, Shao-Horn säger, visar att det är litiumperoxids motstånd mot ett flöde av elektroner som begränsar laddningen av sådana batterier under praktiska laddningsförhållanden.

En elektrolytbelagd sondspets fungerar som motsatt elektrod för avlägsnande av litiumjoner under laddning, när elektroner flödar genom nanorörramen till den yttre kretsen. Under laddning, litiumperoxidpartiklarna krymper med början vid gränssnittet mellan nanorör och peroxid, visar att oxidation sker där det är lättast att ta bort elektroner.

"Litiumtransporten kan hänga med, "Shao-Horn säger, vilket indikerar att elektrontransport kan vara en kritisk gräns för laddning av batterier för elfordon.

Snabbare laddning

Faktiskt, graden av litiumperoxidoxidation i dessa experiment var ungefär 100 gånger snabbare än laddningstiden för litiumluftbatterier i laboratorieskala, och närmar sig vad som behövs för applikationer. Detta visar att om dessa batteriers elektronöverföringsegenskaper kan förbättras, det kan möjliggöra mycket snabbare laddning samtidigt som energiförluster minimeras.

"Detta ger insikter om hur man utformar luftelektroden, "Säger Shao-Horn." Så vitt vi vet, detta är det första direkta beviset på att elektrontransport begränsar laddningen. "

Gallant säger att detta fynd tyder på att litium-luftbatteriets prestanda skulle förbättras om elektroderna hade en struktur med hög yta för att maximera kontakten mellan litiumperoxid och kolet som krävs för att transportera bort elektroner under laddning.

Det "mycket kritiska nästa steg, "Shao-Horn säger, blir att mäta faktiska strömmar under laddning. Hennes team arbetar med forskare vid Sandia National Laboratories, varav några var medförfattare till denna uppsats.

Jie Xiao, en forskare vid Pacific Northwest National Laboratory som inte var inblandad i denna forskning, säger, "Detta arbete har identifierat det viktigaste begränsande tillståndet, elektrontransport ... ger ett viktigt bidrag. "

Xiao tillägger, "Detta är ett utmärkt exempel på hur grundforskning avsevärt kan förbättra vår förståelse för att lösa utmaningar i praktiska enheter. Informationen i detta dokument kommer att gynna den rationella utformningen av luftelektroden för litium-luftbatterier. ... Denna forskning är av hög kvalitet och kommer att locka stort intresse. "

Denna artikel publiceras på nytt med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT -forskning, innovation och undervisning.