De Slog Blijft voor Lithium-Air Batterijen

EEN nieuwe kathode kon verbeteren van de levensduur van de batterij, maar een oplaadbare lithium-air batterijen nog alleen over de laatste twee maanden

bij bezitters van elektrische voertuigen is de angst om zonder stroom te komen voor het volgende laadstation reëel. Autofabrikanten, die graag elektrische voertuigen op de massamarkt willen brengen, zoeken al jaren naar alternatieven die meer lading kunnen opslaan dan de huidige lithium-ion-accu ‘ s.

een optie is lithium-lucht, en een team van onderzoekers heeft een nieuw type kathode uitgevonden waarvan zij beweren dat het de levensduur van dergelijke batterijen kan verlengen. In een studie gepubliceerd in Toegepaste katalyse B: Milieu, het team uit Zuid-Korea en Thailand beschrijven hoe ze nikkel kobalt sulfide nanoflakes coaten op een grafeen kathode gedoteerd met zwavel. Het resultaat: een elektrode met zowel verbeterde elektrische geleidbaarheid als katalytische activiteit.”It’ s a very interesting design approach”, zegt Harry Hoster, directeur van Energy Lancaster, een Brits onderzoeksinstituut dat zich toelegt op energietechnologieën.

batterijen genereren gewoonlijk elektrische energie door een redoxreactie. In het geval van lithium-luchtbatterijen wordt lithium uit de anode geoxideerd terwijl zuurstofmoleculen aan de kathode worden verminderd. Het resulterende product is lithiumperoxide (Li2O2).

de kathode is vermoedelijk waar de magie gebeurt. Omdat zuurstof continu kan worden geleverd vanuit lucht in plaats van opgeslagen in eindige hoeveelheden binnen de cel, lithium-luchtbatterijen kunnen theoretisch een energiedichtheid 10 keer die van hun lithium-ion neven. En hoe meer lithiumperoxide zich ophoopt op de grafietkathode, hoe hoger de oplaadcapaciteit van de batterij.

door de koolstofkathode te wijzigen met zwavel wordt het makkelijker voor lithiumperoxide om eraan vast te houden, zegt Hoster. “De zwavelatomen zorgen voor lokale lijmplekken, die punten verankeren waar dingen aan vast kunnen blijven zitten”, zegt hij.

zwavel biedt ook extra voordelen voor de batterij, zegt fysisch chemicus Sangaraju Shanmugam van het Koreaanse Daegu Gyeongbuk Institute of Science and Technology, en een van de coauteurs van de krant. Omdat zwavelatomen veel groter in omvang zijn in vergelijking met hun koolstof tegenhangers, zwavel-doping de kathode breidt de poreuze koolstof rooster structuur, het verhogen van de oppervlakte. “Als dit gebeurt, kunnen de elektronen beter bewegen binnen het grafeen, waardoor de elektrische geleidbaarheid wordt verbeterd,” zegt Shanmugam.

het coaten van het kathodeoppervlak met nanoflakken van nikkelkobaltsulfide zorgt voor een extra boost door de katalytische activiteit te verhogen. “Zwavel interageert met de metaalplaatsen in nikkelkobaltsulfide en er is een sterke synergistische interactie tussen het grafeenoppervlak en nanoflakken”, legt Shanmugam uit.

de vlokken vormen ook een beschermende laag tussen het kathodeoppervlak en het resulterende lithiumperoxideafvoerproduct, dat zeer corrosief is. Het resultaat is een veel verbeterde cyclisch vermogen van de batterij-iets meer dan 1.700 uur, of meer dan twee maanden—die Shanmugam zegt is “een van de sterkste punten” van hun uitvinding. De specifieke ontladingscapaciteit is ook “ultra hoog” bij bijna 14.200 milliampere uur per gram (mAh/g). In Korea is een patent aangevraagd voor de nieuwe technologie.

” de materialen die zij hebben voorgesteld zijn zeer, zeer interessant…en het lijkt erop dat ze de eerste zijn die dit naar de gemeenschap brengen,” zegt Lancaster ‘ s Hoster. Maar hij is voorzichtig over hoe optimistisch de resultaten echt zijn.

het systeem moet robuuster worden getest, zegt hij. Om de elektrokatalytische activiteit goed te meten, moeten de onderzoekers een cyclisch voltammogram (een type test waarbij een externe spanning wordt toegepast en gevarieerd om te zien hoe de batterijstroom dienovereenkomstig verandert) bij hoge in plaats van lage snelheden hebben gedaan. Bovendien is het ontladingsexperiment dat ze hebben uitgevoerd te ondiep (stoppen bij een specifieke capaciteit van 1.000 mAH/g) om als een goede stresstest te worden beschouwd, omdat “je niet veel van de nevenproducten produceert die ervoor zorgen dat de batterij op de lange termijn vervaagt”, zegt Hoster.

hij wijst ook op de lage laadefficiëntie van de batterij, wat een maat is voor hoeveel energie je krijgt in vergelijking met de energie die je in het opladen stopt. Energieverlies kan het gevolg zijn van warmteproductie of ongewenste nevenreacties die plaatsvinden bij de elektroden. Met ongeveer 65 procent is het 15 tot 25 procent lager dan wat we zouden verwachten van lithium-ion-batterijen. Dit is een van de problemen die het gebruik van lithium-luchtbatterijen nog steeds teisteren. Anderen omvatten wat te doen met de chemisch agressieve lithium peroxide bijproduct dat vormt, die een hoge laadspanning te verwijderen vereist, kan de elektrolyt ontbinden, en vervolgens de levensduur van een batterij te beperken.

de zuivere lithiumanode vormt ook een probleem. Zeer reactief, lithium kan ontbranden bij blootstelling aan water en andere elementen. Dan is er de kwestie van de lucht zelf. Hoewel het leveren van zuurstof aan batterijen prima werkt in een lab, is het niet haalbaar voor elektrische voertuigen die op de weg rijden. Gebruik maken van lucht is het doel, maar je zou eerst moeten verwijderen batterij-schadelijke onzuiverheden zoals kooldioxide en waterdamp.

deze ontwikkelingsuitdagingen hebben het enthousiasme voor lithium-luchtbatterijen in de afgelopen jaren getemperd, waarbij bedrijven als IBM en het door de VS gefinancierde Joint Center for Energy Storage Research hun onderzoek verlieten ten gunste van andere next-gen batterijtypes. Zelfs het Faraday Instituut, een U. K. instelling die £ 65 miljoen heeft gegoten in batterij onderzoek, besloten om te investeren in lithium-zwavel batterijen over lithium-lucht batterijen in de laatste financieringsronde, omdat ze dachten dat de eerste was “ook riskant, maar realistischer,” zegt Hoster.

” It ‘ s been a sobering reality…de lithium-zuurstof batterij is een beetje zoals wat kernfusie is in de grote technologieën, ” zegt hij. “Er zijn grote potentiële overwinningen, maar er zijn veel losse eindjes.”

echter, omdat lithium-luchtbatterijen een energiedichtheid hebben die mogelijk 10 keer hoger is dan die van traditionele lithium-ion-batterijen, “is er nog steeds een groot spel te spelen,” zegt Hoster. “Maar men moet de verwachtingen beheersen.”