Slogul continuă pentru bateriile cu litiu-aer

un nou catod ar putea îmbunătăți durata de viață a bateriei, dar bateriile cu litiu-aer durează doar aproximativ două luni

pentru proprietarii de vehicule electrice, anxietatea de autonomie—teama de a rămâne fără energie înainte de următoarea stație de încărcare—este reală. Producătorii de mașini, dornici să aducă EV-uri pe piața de masă, au căutat ani de zile alternative care ar putea stoca mai multă încărcare decât bateriile litiu-ion de astăzi.

o opțiune este aerul cu litiu, iar o echipă de cercetători a inventat un nou tip de catod despre care susțin că poate prelungi durata de viață a acestor baterii. Într-un studiu publicat în cataliza aplicată B: De mediu, echipa din Coreea de Sud și Thailanda descrie modul în care au acoperit nanoflacuri de sulfură de nichel cobalt pe un catod de grafen dopat cu sulf. Rezultatul: un electrod care se mândrește atât cu o conductivitate electrică îmbunătățită, cât și cu o activitate catalitică.

„este o abordare de design foarte interesantă”, spune Harry Hoster, director al Energy Lancaster, un institut de cercetare din Marea Britanie dedicat tehnologiilor energetice.

bateriile generează de obicei energie electrică printr-o reacție redox. În cazul bateriilor litiu-aer, litiul din anod se oxidează în timp ce moleculele de oxigen sunt reduse la catod. Produsul rezultat este peroxidul de litiu (Li2O2).

catodul se presupune că este locul unde se întâmplă magia. Deoarece oxigenul poate fi furnizat continuu din aer, mai degrabă decât stocat în cantități finite în celulă, bateriile litiu-aer pot furniza teoretic o densitate de energie de 10 ori mai mare decât cea a verișorilor lor litiu-ion. Și cu cât mai mult peroxid de litiu se acumulează pe catodul de grafit, cu atât este mai mare capacitatea de încărcare a bateriei.

modificarea catodului de carbon cu sulf face mai ușor peroxidul de litiu să se lipească de el, spune Hoster. „Atomii de sulf oferă pete locale de lipici, puncte de ancorare pentru ca lucrurile să rămână”, spune el.

sulful oferă, de asemenea, beneficii suplimentare bateriei, spune chimistul fizic Sangaraju Shanmugam de la Institutul de știință și Tehnologie Daegu Gyeongbuk din Coreea și unul dintre coautorii lucrării. Deoarece atomii de sulf au dimensiuni mult mai mari în comparație cu omologii lor de carbon, dopajul cu sulf catodul extinde structura poroasă a rețelei de carbon, mărind suprafața sa. „Când se întâmplă acest lucru, electronii se pot mișca mai bine în grafen și astfel conductivitatea electrică este îmbunătățită”, spune Shanmugam.

acoperirea suprafeței catodului cu nanoflacuri de sulfură de nichel cobalt oferă un impuls suplimentar prin creșterea activității catalitice. „Sulful interacționează cu siturile metalice din sulfura de nichel cobalt și există o interacțiune sinergică puternică între suprafața grafenului și nanoflacuri”, explică Shanmugam.

fulgii formează, de asemenea, un strat protector între suprafața catodului și produsul rezultat de descărcare a peroxidului de litiu, care este foarte coroziv. Rezultatul este o ciclabilitate mult îmbunătățită a bateriei—puțin peste 1.700 de ore sau mai mult de două luni-despre care Shanmugam spune că este „unul dintre cele mai puternice puncte” ale invenției lor. Capacitatea specifică de descărcare este, de asemenea, „ultra înaltă” la aproape 14.200 milliampere oră pe gram (mAh/g). Un brevet este în așteptare în Coreea pentru noua tehnologie.

„materialele pe care le-au propus sunt foarte, foarte interesante…și se pare că sunt primii care aduc acest lucru comunității”, spune Hosterul Lancaster. Dar el este precaut cu privire la cât de optimiste sunt rezultatele.

sistemul trebuie testat mai robust, spune el. Pentru a măsura corect activitatea electrocatalitică, cercetătorii ar fi trebuit să facă o voltamogramă ciclică (un tip de test în care se aplică o tensiune externă și variată pentru a vedea cum se schimbă corespunzător curentul bateriei) la viteze mari, mai degrabă decât mici. În plus, experimentul de descărcare pe care l-au efectuat este prea superficial (oprindu-se la o capacitate specifică de 1.000 mAH/g) pentru a fi considerat un test de stres adecvat, deoarece „nu produceți o mare parte din produsele laterale care determină estomparea bateriei pe termen lung”, spune Hoster.

el subliniază, de asemenea, eficiența scăzută de încărcare a bateriei, care este o măsură a cantității de energie pe care o obțineți în comparație cu energia pe care o puneți în Încărcare. Pierderea de energie poate rezulta din producerea de căldură sau reacții adverse nedorite care au loc la electrozi. Cu aproximativ 65%, este cu 15-25% mai mic decât ceea ce ne-am aștepta de la bateriile litiu-ion. Aceasta este una dintre o serie de preocupări care continuă să afecteze utilizarea bateriilor cu litiu-aer. Altele includ Ce să facă cu produsul secundar chimic agresiv de peroxid de litiu care se formează, care necesită o tensiune de încărcare ridicată pentru a elimina, poate descompune electrolitul și, ulterior, poate limita durata de viață a ciclului bateriei.

anodul de litiu pur prezintă, de asemenea, o problemă. Foarte reactiv, litiul se poate aprinde atunci când este expus la apă și alte elemente. Apoi, există problema aerului în sine. În timp ce furnizarea de oxigen la baterii funcționează bine într-un laborator, nu este fezabil pentru vehiculele electrice care rulează pe drumuri. Utilizarea aerului este obiectivul, dar mai întâi ar trebui să eliminați impuritățile dăunătoare bateriei, cum ar fi dioxidul de carbon și vaporii de apă.

aceste provocări de dezvoltare au atenuat entuziasmul pentru bateriile cu litiu-aer în ultimii ani, companii precum IBM și Centrul Comun pentru cercetarea stocării energiei, finanțat de SUA, abandonând cercetările în favoarea altor tipuri de baterii de ultimă generație. Chiar și instituția Faraday, din Marea Britanie. instituția care a turnat 65 de milioane de dolari în cercetarea bateriilor, a decis să investească în baterii cu litiu-sulf peste Baterii cu litiu-aer în ultima sa rundă de finanțare, deoarece au crezut că prima este „de asemenea riscantă, dar mai realistă”, spune Hoster.

„a fost o realitate sobră…bateria litiu-oxigen este un pic ca ceea ce este fuziunea nucleară în marile tehnologii”, spune el. „Există câștiguri potențiale mari, dar există multe capete libere.”

cu toate acestea, deoarece bateriile litiu-aer au o densitate de energie care este potențial de 10 ori mai mare decât cea a celor tradiționale litiu-ion, „există încă un joc mare de jucat”, spune Hoster. „Dar trebuie să gestionăm așteptările.”