Eine neue Lithium-Luft-Batterie könnte leichter und effizienter Energiespeicher machen.


Auf der Suche nach kleineren, langlebiger, leistungsfähiger Batterien haben Wissenschaftler viele alternative Ansätze zur Batterie Chemie versucht. Man kann nur den Durchbruch produziert haben, die, dem wir warten.

Die urbane Legende ist, dass gab es ein kleines Leck in einer Batteriezelle, Chemiker, die K M Abraham in seinem Labor im Jahr 1995, die Zelle mit einer weit höheren Energiegehalt testete als erwartet zur Verfügung gestellt. Eher, als zu versuchen, das Leck zu beheben, Abraham untersucht und entdeckt die erste Batterie wiederaufladbare Lithium-Luft (Li-Luft). Bisher hat nicht diese Entdeckung führte zu einer technisch nutzbare Produkte kann, eine Publikation in Science von einer Forschungsgruppe der Universität Cambridge jedoch etwa zu ändern.

Im Jahr 2008 erstaunt Tesla Branchenbeobachter mit seiner kühnen, elektrische Roadster-Auto, das lief auf handelsübliche Lithium-Ionen-(Li-Ion) Batterien, die Art, die alles von Smartphones, Laptops, Kameras und Spielzeug macht. Seitdem hat sich der Markt für Elektrofahrzeuge schnell gewachsen, nicht nur, sondern hat also die durchschnittliche Reichweite der Batterien, die sie an die macht. Allerdings muss das Wachstum beschleunigen: von 1994, es dauerte 20 Jahre, den Energiegehalt eines typischen Lithium-Ionen-Akkus zu verdreifachen.

Die neue Forschung, unter der Leitung von Professor Gunwoo Kim und Clare Grey, experimentierte mit Li-Luft-Zellen, die nur einen Elektron Leiter, wie leichte, poröse Carbon anstelle einer Metall-Oxid verwendet in der Regel in einer Lithium-Ionen-Batterie zu verwenden. Praktisch gesprochen, dies spart eine Menge Gewicht, sondern bringt seine eigenen Schwierigkeiten.

Funktionsweise von Lithium-Luft-Batterien

Eine Li-Luft-Zelle schafft Spannung von der Verfügbarkeit von Sauerstoffmolekülen (O2) an der positiven Elektrode. O2 reagiert mit den positiv geladenen Lithium-Ionen Lithium-Peroxid (Li2O2) zu bilden und elektrische Energie erzeugen. Elektronen werden aus der Elektrode gezogen und so eine Batterie leer (entladen) Wenn keine weitere Li2O2 gebildet werden kann.

Li2O2 ist jedoch sehr schlecht Elektron Dirigent. Wenn Ablagerungen von Li2O2 auf der Elektrodenoberfläche, die die Elektronen für die Reaktion liefert wachsen, es dämpft und tötet schließlich die Reaktion und damit die Akkuleistung. Dieses Problem kann überwunden werden, wenn das Reaktionsprodukt (Lithium-Peroxid in diesem Fall) in der Nähe der Elektrode gespeichert ist aber nicht es zu beschichten.

Die Cambridge-Forscher fanden eine Rezept, die ist genau das – mit Hilfe einer standard-Elektrolyt-Mischung und das Hinzufügen von Lithium-Jodid (LI) als Zusatzstoff. Das Team Experiment auch eine eher schwammige, flauschige Elektrode hergestellt aus vielen dünnen Schichten von Graphen mit großen Poren gefüllt. Der letzte wichtige Bestandteil ist eine kleine Menge Wasser.

Mit dieser Kombination von Chemikalien, die Reaktion als die Batterie Entladungen bildet keine Li2O2 , der Brei bis der Elektrode führen würde (siehe Bild unten links). Stattdessen enthält sie Wasserstoff aus dem Wasser (H2O) zur Form Lithium Hydroxid (LiOH) Kristalle abgestreift. Diese Kristalle füllen die Größe der Poren in den flauschigen Kohlenstoffelektrode, aber entscheidend ist sie nicht beschichten und blockieren die lebenswichtigen Carbon-Oberfläche, die erzeugen der Spannung (rechte Seite). So steigert die Anwesenheit von Lithium-Jodid als "Vermittler" (aber ist seine genaue Rolle noch nicht klar) und Wasser als Co Reaktionspartner in den Prozess der Li-Luft-Batterie-Kapazität.

Wie wird Li-Luft Dinge ändern?

Dieser Prozess sorgt dafür, dass der Elektrodenoberfläche freigehalten ist unbedingt die Akku-Kapazität zu steigern. Der Nachteil ist jedoch, dass der gleiche Mangel an elektrischer Kontakt zwischen der Elektrode und der Entlastung-Produkt, das seine Kapazität steigert im Prinzip aufladen erschweren sollte.

Wieder, es stellt sich heraus das Lithium Jodid Additiv ist die fehlende Zutat benötigt: an der Elektrode negativ geladene Iodid-Ionen werden in ich umgerechnet3 (Triiodide) Ionen (siehe Bild rechts). Die Kombination mit dem LiOH Kristalle und auflösen, so dass für eine vollständige Aufladung durch das Löschen der Poren.

Dieser Mechanismus ist in der Tat sogar wirksamer als die Wiederaufladezeit von Li2O2 an der Elektrodenoberfläche befestigt. Da die Elektronen nicht über eine Li2O2 Schicht reisen müssen, ist weniger Spannung benötigt, um eine Li-Luft-Batterie mit Jod Additiv als ohne es aufladen. So wird weniger Energie benötigt, um die Batterie aufzuladen, die ein elektrisches Auto läuft auf solch eine Li-Luft-Batterie energieeffizienter machen würde. Die Autoren der Studie präsentieren Daten, die eine Energieeffizienz von rund 90 % – nähern bringt diese neue Batterietechnologie nahe, dass der herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien.

Ihre Ergebnisse zeigen einen viel versprechenden Weg für Li-Luft-Technologie, zu einer Zeit, als viele andere Forschungsgruppen aufgegeben haben. Wie Forscher nach diesem Durchbruch zurückkommen, wird vielleicht eine kommerzielle Li-Luft-Batterie endlich Wirklichkeit geworden.

Harry Hoster, Direktor der Energie Lancaster und Professor für physikalische Chemie, Universität Lancaster

Dieser Artikel erschien ursprünglich auf das Gespräch. Lesen Sie den original Artikel.

Bild von Jens Büttner/EPA

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