Der Slog für Lithium-Luft-Batterien geht weiter

Eine neue Kathode könnte die Batterielebensdauer verbessern, aber Lithium-Luft-Batterien halten immer noch nur etwa zwei Monate

Für Besitzer von Elektrofahrzeugen ist die Reichweitenangst — die Angst vor dem Stromausfall vor der nächsten Ladestation — real. Autohersteller, die Elektrofahrzeuge auf den Massenmarkt bringen wollen, suchen seit Jahren nach Alternativen, die mehr Ladung speichern können als die heutigen Lithium-Ionen-Batterien.

Eine Option ist Lithium-Luft, und ein Forscherteam hat einen neuen Kathodentyp erfunden, von dem sie behaupten, dass er die Lebensdauer solcher Batterien verlängern kann. In einer in Applied Catalysis B veröffentlichten Studie: So beschreiben das Team aus Südkorea und Thailand, wie sie Nickel-Kobaltsulfid-Nanoflakes auf eine mit Schwefel dotierte Graphenkathode beschichteten. Das Ergebnis: Eine Elektrode mit verbesserter elektrischer Leitfähigkeit und katalytischer Aktivität.

„Es ist ein sehr interessanter Designansatz“, sagt Harry Hoster, Direktor von Energy Lancaster, einem britischen Forschungsinstitut für Energietechnologien.

Batterien erzeugen normalerweise elektrische Energie durch eine Redoxreaktion. Bei Lithium-Luft-Batterien wird Lithium von der Anode oxidiert, während Sauerstoffmoleküle an der Kathode reduziert werden. Das resultierende Produkt ist Lithiumperoxid (Li2O2).

Die Kathode ist angeblich der Ort, an dem die Magie geschieht. Da Sauerstoff kontinuierlich aus Luft zugeführt werden kann, anstatt in endlichen Mengen in der Zelle gespeichert zu werden, können Lithium-Luft-Batterien theoretisch eine Energiedichte bereitstellen, die 10-mal so hoch ist wie die ihrer Lithium-Ionen-Cousins. Und je mehr Lithiumperoxid sich auf der Graphitkathode ansammelt, desto höher ist die Ladekapazität der Batterie.

Die Modifizierung der Kohlenstoffkathode mit Schwefel erleichtert es Lithiumperoxid, daran festzuhalten, sagt Hoster. „Die Schwefelatome liefern lokale Klebepunkte, Ankerpunkte für Dinge, an denen sie haften bleiben“, sagt er.

Schwefel bietet auch zusätzliche Vorteile für die Batterie, sagt der physikalische Chemiker Sangaraju Shanmugam vom koreanischen Daegu Gyeongbuk Institute of Science and Technology und einer der Co-Autoren des Papiers. Da Schwefelatome im Vergleich zu ihren Kohlenstoffgegenstücken viel größer sind, dehnt die Schwefeldotierung der Kathode die poröse Kohlenstoffgitterstruktur aus und vergrößert ihre Oberfläche. „Wenn dies geschieht, können sich die Elektronen im Graphen besser bewegen und die elektrische Leitfähigkeit wird verbessert“, sagt Shanmugam.

Die Beschichtung der Kathodenoberfläche mit Nickel-Kobaltsulfid-Nanoflakes sorgt für einen zusätzlichen Schub durch Erhöhung der katalytischen Aktivität. „Schwefel interagiert mit den Metallstellen in Nickel-Kobalt-Sulfid, und es gibt eine starke synergistische Wechselwirkung zwischen der Graphenoberfläche und Nanoflakes“, erklärt Shanmugam.

Die Flocken bilden auch eine Schutzschicht zwischen der Kathodenoberfläche und dem resultierenden Lithiumperoxid-Entladungsprodukt, das stark korrosiv ist. Das Ergebnis ist eine deutlich verbesserte Zyklenfähigkeit der Batterie – etwas mehr als 1.700 Stunden oder mehr als zwei Monate —, die laut Shanmugam „einer der stärksten Punkte“ ihrer Erfindung ist. Die spezifische Entladekapazität ist mit fast 14.200 Milliamperestunden pro Gramm (mAh / g) ebenfalls „ultrahoch“. Für die neue Technologie ist in Korea ein Patent angemeldet.

„Die Materialien, die sie vorgeschlagen haben, sind sehr, sehr interessant…und es sieht so aus, als wären sie die ersten, die dies in die Community bringen „, sagt Lancasters Hoster. Aber er ist vorsichtig, wie optimistisch die Ergebnisse wirklich sind.

Das System müsse robuster getestet werden, sagt er. Um die elektrokatalytische Aktivität richtig zu messen, hätten die Forscher ein zyklisches Voltammogramm (eine Art Test, bei dem eine externe Spannung angelegt und variiert wird, um zu sehen, wie sich der Batteriestrom entsprechend ändert) bei hohen und nicht bei niedrigen Geschwindigkeiten durchführen sollen. Darüber hinaus ist das von ihnen durchgeführte Entladungsexperiment zu flach (mit einer bestimmten Kapazität von 1.000 mAh / g), um als richtiger Stresstest angesehen zu werden, da „Sie nicht viel von den Nebenprodukten produzieren, die dazu führen, dass die Batterie langfristig verblasst“, sagt Hoster.

Er hebt auch die geringe Ladeeffizienz des Akkus hervor, die ein Maß dafür ist, wie viel Energie Sie im Vergleich zu der Energie erhalten, die Sie in das Laden stecken. Energieverluste können durch Wärmeerzeugung oder unerwünschte Nebenreaktionen, die an den Elektroden stattfinden, entstehen. Mit rund 65 Prozent ist es 15 bis 25 Prozent niedriger als das, was wir von Lithium-Ionen-Batterien erwarten würden. Dies ist eine von mehreren Bedenken, die die Verwendung von Lithium-Luft-Batterien weiterhin plagen. Andere beinhalten, was mit dem chemisch aggressiven Lithiumperoxid-Nebenprodukt zu tun ist, das sich bildet, das eine hohe Ladespannung benötigt, um es zu entfernen, den Elektrolyten zersetzen und anschließend die Lebensdauer einer Batterie begrenzen kann.

Die reine Lithiumanode stellt ebenfalls ein Problem dar. Lithium ist hochreaktiv und kann sich entzünden, wenn es Wasser und anderen Elementen ausgesetzt wird. Dann ist da noch das Problem der Luft selbst. Während die Sauerstoffversorgung von Batterien in einem Labor gut funktioniert, ist dies für Elektrofahrzeuge, die auf Straßen fahren, nicht möglich. Die Nutzung von Luft ist das Ziel, aber Sie müssten zuerst batterieschädigende Verunreinigungen wie Kohlendioxid und Wasserdampf entfernen.

Diese Entwicklungsherausforderungen haben die Begeisterung für Lithium-Luft-Batterien in den letzten Jahren gedämpft, da Unternehmen wie IBM und das von den USA finanzierte Joint Center for Energy Storage Research ihre Forschung zugunsten anderer Batterietypen der nächsten Generation aufgegeben haben. Auch die Faraday Institution, ein U.K. institution, die £ 65 Millionen in die Batterieforschung investiert hat, entschied sich in seiner letzten Finanzierungsrunde in Lithium-Schwefel-Batterien über Lithium-Luft-Batterien zu investieren, weil sie der Meinung waren, dass ersteres „auch riskant, aber realistischer“ sei, sagt Hoster.

„Es war eine ernüchternde Realität…die Lithium-Sauerstoff-Batterie ist ein bisschen wie die Kernfusion in den großen Technologien „, sagt er. „Es gibt große potenzielle Gewinne, aber es gibt viele lose Enden.“

Da Lithium-Luft-Batterien jedoch eine Energiedichte aufweisen, die möglicherweise 10-mal höher ist als die herkömmlicher Lithium-Ionen-Batterien, „gibt es immer noch ein großes Spiel zu spielen“, sagt Hoster. „Aber man muss mit den Erwartungen umgehen.“