Schematiska vyer (överst) och transmissionselektronmikroskopbilder (nederst) som visar stela kristaller som bildas på nanorör av kol (vänster) och amorfa avlagringar på kolnanorörskatoder med ruteniumoxid (RuO2) nanopartiklar (höger) efter urladdning av litium-syre (Li) –O2) batterier. Kredit:Reproducerad, med tillåtelse, från ref. 1 © 2013 American Chemical Society
Icke-vattenhaltigt litium-syre (Li-O 2 ) batterier kan lagra energi med densitet som konkurrerar med bensin. Kommersialisering av denna framväxande teknik, dock, kommer att kräva genombrott som gör att batterierna kan laddas upp effektivt. Hye Ryung Byon och Eda Yilmaz vid RIKEN Byon Initiative Research Unit har tagit ett stort steg mot detta mål genom att avsevärt förbättra laddningseffektiviteten för Li–O 2 batterier genom klok applicering av katalytisk ruteniumoxid (RuO 2 ) nanopartiklar.
Li-O2-batterier eliminerar de tungmetalloxidkatoder som används i konventionella litiumjonbatterier för att låta litium reagera direkt med atmosfäriskt syre på katoder gjorda av ljus, porösa material som kolnanorör. När batteriet laddas ur, litiumjoner och syrgas reagerar och bildar litiumperoxid (Li 2 O 2 ) kristaller på katoden. För att ladda batteriet, den isolerande Li 2 O 2 kristaller måste sönderdelas - en reaktion som kräver betydande laddningspotentialer, vilket kan förkorta batteritiden.
Byon och Yilmaz försökte förbättra batteriladdningseffektiviteten genom att lägga till RuO 2 nanopartiklar till kolnanorörets katoder. "RuO 2 har en optimal ytenergi för syreadsorption och är en bra katalysator för oxidationsreaktioner, " förklarar Yilmaz. Men, eftersom de flesta ruteniumbaserade katalyser utförs i vattenlösningar, laget fick trampa försiktigt för att förstå vad som skulle hända när RuO 2 var omgiven av solid Li 2 O 2 .
Experiment visade att den nya RuO2/kol nanorörskompositen sänkte batteriladdningspotentialen avsevärt jämfört med katoder gjorda av enbart nanorör. För att förstå varför, forskarna samarbetade med Synchrotron Radiation Center vid Ritsumeikan University i Kyoto för att karakterisera utsläppsprodukterna med hjälp av ett antal tekniker, inklusive röntgenabsorptionsspektroskopi och elektronmikroskopi. Dessa tester visade att Li 2 O 2 insättningar på RuO 2 -laddade nanorör hade en amorf morfologi helt olik den som ses i någon annan Li-O 2 batterisystem.
Elektronmikroskopbilderna visade att Li 2 O 2 partiklar som bildades på de nakna nanorörskatoderna hade stora, haloformade kristaller. På RuO 2 /kol nanorör katoder, dock, ett formlöst lager av Li 2 O 2 täckte hela nanoröret (Fig. 1). Teamet noterar att detta Li2O2-skikt har en stor kontaktyta med den ledande kolnanorörskatoden. Följaktligen, Li 2 O 2 nedbrytning kan uppnås med mindre energi, vilket resulterar i förbättrad batterieffektivitet.
"Detta är en av de första studierna som visar hur katalysatorer påverkar icke-vattenhaltig Li-O 2 batterier; hittills har det varit lite fokus på effekten av Li2O2-struktur på batteriprestanda, " säger Byon. "Denna forskning kan fungera som en riktlinje för framtida alternativa tillvägagångssätt."
