A Slog folytatódik a lítium-levegő akkumulátorok esetében

egy új katód javíthatja az akkumulátor élettartamát, de a lítium-levegő akkumulátorok még mindig csak körülbelül két hónapig tartanak

az elektromos járművek tulajdonosai számára a hatótávolság szorongása—az a félelem, hogy a következő töltőállomás előtt elfogy az áram. Az autógyártók, akik szívesen hozzák az EV-ket a tömegpiacra, évek óta keresnek olyan alternatívákat, amelyek több töltést tudnak tárolni, mint a mai lítium-ion akkumulátorok.

az egyik lehetőség a lítium-levegő, és egy kutatócsoport feltalált egy új típusú katódot, amely állításuk szerint meghosszabbíthatja az ilyen akkumulátorok élettartamát. Az Applied Catalysis B – ben megjelent tanulmányban: Környezetvédelmi szempontból a dél-koreai és Thaiföldi csapat leírja, hogyan vonták be a nikkel-kobalt-szulfid nanoflakeket egy kénnel adalékolt grafén katódra. Az eredmény: egy elektróda, amely mind jobb elektromos vezetőképességgel, mind katalitikus aktivitással büszkélkedhet.

“ez egy nagyon érdekes tervezési megközelítés” – mondja Harry Hoster, az ENERGY Lancaster igazgatója, az Egyesült Királyságban működő energiatechnológiákkal foglalkozó kutatóintézet.

az akkumulátorok általában redox reakcióval generálnak elektromos energiát. Lítium-levegő akkumulátorok esetén az anódból származó lítium oxidálódik, míg az oxigénmolekulák a katódnál redukálódnak. A kapott termék lítium-peroxid (Li2O2).

a katód állítólag ott történik, ahol a varázslat történik. Mivel az oxigén folyamatosan szállítható a levegőből, nem pedig véges mennyiségben tárolható a cellában, a lítium-levegő akkumulátorok elméletileg energiasűrűséget tudnak biztosítani 10 szorosa lítium-ion unokatestvéreikének. Minél több lítium-peroxid halmozódik fel a grafit katódon, annál nagyobb az akkumulátor töltési kapacitása.

a szénkatód kénnel történő módosítása megkönnyíti a lítium-peroxid tapadását-mondja Hoster. “A kénatomok helyi ragasztófoltokat biztosítanak, rögzítési pontokat a dolgok ragaszkodásához” – mondja.

a kén további előnyökkel jár az akkumulátor számára is, mondja Sangaraju Shanmugam fizikai vegyész a Koreai Daegu Gyeongbuk tudományos és technológiai Intézetből, és a tanulmány egyik társszerzője. Mivel a kénatomok sokkal nagyobb méretűek a szén-társaikhoz képest, a katód kéndoppingja kiterjeszti a porózus szénrács szerkezetét, növelve annak felületét. “Amikor ez megtörténik, Az elektronok jobban mozoghatnak a grafénben, így javul az elektromos vezetőképesség” – mondja Shanmugam.

a katód felületének nikkel-kobalt-szulfid nanoflakokkal történő bevonása további lendületet ad a katalitikus aktivitás növelésével. “A kén kölcsönhatásba lép a nikkel-kobalt-szulfid fémhelyeivel, és erős szinergikus kölcsönhatás van a grafén felülete és a nanoflakák között” – magyarázza Shanmugam.

a pelyhek szintén védőréteget képeznek a katódfelület és a keletkező lítium-peroxid kisülési termék között, amely erősen maró hatású. Az eredmény egy sokkal jobb akkumulátor-ciklikusság—alig több mint 1700 óra, vagy több mint két hónap—, amely Shanmugam szerint találmányuk “egyik legerősebb pontja”. A fajlagos kisülési kapacitás szintén “ultra magas”, közel 14 200 milliamper óra/gramm (mAh / g). Koreában szabadalom van folyamatban az új technológiára.

“az általuk javasolt anyagok nagyon, nagyon érdekesek…úgy tűnik, hogy ők az elsők, akik ezt a közösséghez hozzák” – mondja Lancaster házigazdája. De óvatos abban, hogy az eredmények mennyire optimisták.

a rendszert erőteljesebben kell tesztelni, mondja. Az elektrokatalitikus aktivitás megfelelő felméréséhez a kutatóknak ciklikus voltammogramot kellett volna végezniük (olyan típusú teszt, ahol külső feszültséget alkalmaznak és változtatják, hogy lássák, hogyan változik az akkumulátor áramának megfelelően) magas, nem pedig alacsony sebességgel. Ezenkívül az általuk végzett kisülési kísérlet túl sekély (1000 mAh/g specifikus kapacitással megáll) ahhoz, hogy megfelelő stressztesztnek lehessen tekinteni, mert “nem sok olyan mellékterméket állít elő, amelyek hosszú távon elhalványítják az akkumulátort” – mondja Hoster.

kiemeli az akkumulátor alacsony töltési hatékonyságát is, amely azt mutatja, hogy mennyi energiát kap a töltésbe fektetett energiához képest. Az energiaveszteség a hőtermelés vagy az elektródákon bekövetkező nem kívánt mellékreakciók miatt következhet be. Nagyjából 65 százalékkal 15-25 százalékkal alacsonyabb, mint amit a lítium-ion akkumulátoroktól elvárnánk. Ez egyike azon aggályoknak, amelyek továbbra is sújtják a lítium-levegő akkumulátorok használatát. Mások közé tartozik, hogy mit kell tenni a képződő kémiailag agresszív lítium-peroxid melléktermékkel, amelynek eltávolításához nagy töltési feszültség szükséges, lebonthatja az elektrolitot, majd korlátozhatja az akkumulátor életciklusát.

a tiszta lítium anód is problémát jelent. A nagyon reaktív lítium meggyulladhat, ha víznek vagy más elemeknek van kitéve. Aztán ott van maga a levegő kérdése. Bár az akkumulátorok oxigénellátása laboratóriumban jól működik, az utakon futó elektromos járművek számára ez nem kivitelezhető. A levegő felhasználása a cél, de először el kell távolítania az akkumulátort károsító szennyeződéseket, például a szén-dioxidot és a vízgőzt.

ezek a fejlesztési kihívások tompították a lítium-levegő akkumulátorok iránti lelkesedést az elmúlt években, olyan vállalatok, mint az IBM és az Egyesült Államok által finanszírozott Joint Center for Energy Storage Research felhagytak kutatásaikkal más következő generációs akkumulátor típusok javára. Még a Faraday Intézet is, egy Egyesült Királyság. intézmény, amely öntött 65 millió kb akkumulátor kutatás, úgy döntött, hogy fektessenek be a lítium-kén akkumulátorok lítium-levegő akkumulátorok az utolsó finanszírozási körben, mert úgy gondolták, az előbbi “is kockázatos, de reálisabb,” mondja Hoster.

“kijózanító valóság volt…a lítium-oxigén akkumulátor egy kicsit olyan, mint a nukleáris fúzió a nagy technológiákban” – mondja. “Nagy potenciális győzelmek vannak, de sok elvarratlan szál van.”

mivel azonban a lítium-levegő akkumulátorok energiasűrűsége potenciálisan 10-szer nagyobb, mint a hagyományos lítium-ionoké, “még mindig nagy játékot kell játszani” – mondja Hoster. “De kezelni kell az elvárásokat.”