Slog fortsætter for Lithium-Air batterier

en ny katode kunne forbedre batteriets levetid, men lithium-Air-batterier varer stadig kun omkring to måneder

for ejere af elektriske køretøjer er rækkeangst—frygten for at løbe tør for strøm før den næste ladestation—reel. Bilproducenter, der er ivrige efter at bringe EV ‘ er til massemarkedet, har i årevis søgt alternativer, der kunne opbevare mere opladning end nutidens lithium-ion-batterier.

en mulighed er lithium-air, og et team af forskere har opfundet en ny type katode, som de hævder kan forlænge levetiden for sådanne batterier. I en undersøgelse offentliggjort i Applied Catalysis B: Miljø, holdet fra Sydkorea og Thailand beskriver, hvordan de belagte nikkel koboltsulfid nanoflakes på en grafenkatode doteret med svovl. Resultatet: en elektrode, der kan prale af både forbedret elektrisk ledningsevne og katalytisk aktivitet.

“det er en meget interessant designtilgang,” siger Harry Hoster, direktør for Energy Lancaster, et britisk-baseret forskningsinstitut dedikeret til energiteknologier.

batterier genererer normalt elektrisk energi gennem en nyoksreaktion. I tilfælde af lithium-luftbatterier iltes lithium fra anoden, mens iltmolekyler reduceres ved katoden. Det resulterende produkt er lithiumoverilte (Li2O2).

katoden er angiveligt, hvor magien sker. Fordi ilt kan tilføres kontinuerligt fra luft i stedet for at opbevares i begrænsede mængder i cellen, kan lithium-air-batterier teoretisk give en energitæthed 10 gange den for deres lithium-ion-fætre. Og jo mere lithiumoverilte der akkumuleres på grafitkatoden, jo højere er batteriets opladningskapacitet.

ændring af kulstofkatoden med svovl gør det lettere for lithiumoverilte at holde sig til det, siger Hoster. “Svovlatomerne giver lokale limpletter, forankringspunkter for ting at holde sig til,” siger han.

svovl giver også yderligere fordele for batteriet, siger fysisk kemiker Sangaraju Shanmugam fra Koreas Daegu Gyeongbuk Institute of Science and Technology, og en af papirets medforfattere. Fordi svovlatomer er meget større i størrelse sammenlignet med deres kulstofmodeller, svovldoping katoden udvider den porøse kulstofgitterstruktur og øger dens overfladeareal. “Når dette sker, kan elektronerne bevæge sig bedre inden for grafen, og så er elektrisk ledningsevne forbedret,” siger Shanmugam.

belægning af katodeoverfladen med nikkel koboltsulfid nanoflakes giver et ekstra boost ved at øge katalytisk aktivitet. “Svovl interagerer med metalstederne i nikkel koboltsulfid, og der er en stærk synergistisk interaktion mellem grafenoverfladen og nanoflakes,” forklarer Shanmugam.

flagerne danner også et beskyttende lag mellem katodeoverfladen og det resulterende lithiumoverilteudladningsprodukt, som er stærkt ætsende. Resultatet er en meget forbedret battericyklerbarhed-lidt over 1.700 timer eller mere end to måneder—hvilket Shanmugam siger er “et af de stærkeste punkter” i deres opfindelse. Den specifikke udladningskapacitet er også” ultrahøj ” ved næsten 14.200 milliampere time pr. Der verserer et patent i Korea for den nye teknologi.

“de materialer, de har foreslået, er meget, meget interessante…og det ser ud til, at de er de første til at bringe dette til samfundet,” siger Lancasters Hoster. Men han er forsigtig med, hvor optimistiske resultaterne virkelig er.

systemet skal testes mere robust, siger han. For korrekt måling af elektrokatalytisk aktivitet skulle forskerne have foretaget et cyklisk voltammogram (en type test, hvor en ekstern spænding påføres og varieres for at se, hvordan batteristrømmen ændres tilsvarende) ved høje snarere end lave hastigheder. Desuden er udladningseksperimentet, de udførte, for lavt (stopper ved en bestemt kapacitet på 1.000 mAH/g) til at blive betragtet som en ordentlig stresstest, fordi “du producerer ikke meget af de sideprodukter, der får batteriet til at falme i det lange løb,” siger Hoster.

han fremhæver også batteriets lave opladningseffektivitet, hvilket er et mål for, hvor meget energi du får sammenlignet med den energi, du lægger i opladning af det. Energitab kan resultere på grund af varmeproduktion eller uønskede bivirkninger, der finder sted ved elektroderne. 65 procent er det 15 til 25 procent lavere end hvad vi ville forvente af lithium-ion-batterier. Dette er en af en række bekymringer, der fortsat plager brugen af lithium-luftbatterier. Andre inkluderer, hvad man skal gøre med det kemisk aggressive lithiumoverilte-biprodukt, der dannes, hvilket kræver en høj opladningsspænding for at fjerne, kan nedbryde elektrolytten og derefter begrænse batteriets cykluslevetid.

den rene lithiumanode udgør også et problem. Meget reaktivt, lithium kan antændes, når det udsættes for vand og andre elementer. Så er der spørgsmålet om selve luften. Mens levering af ilt til batterier fungerer fint i et laboratorium, er det ikke muligt for elektriske køretøjer, der kører på veje. Brug af luft er målet, men du bliver først nødt til at fjerne batteribeskadigende urenheder som kulsyre og vanddamp.

disse udviklingsudfordringer har dæmpet entusiasmen for lithium-Air-batterier i de senere år, hvor virksomheder som IBM og det USA-finansierede Joint Center for Energy Storage Research opgav deres forskning til fordel for andre næste generations batterityper. Selv Faraday Institution, en U. K. institution, der har hældt 65 millioner kr. i batteriforskning, besluttede at investere i lithium-svovlbatterier over lithium-luftbatterier i sin sidste finansieringsrunde, fordi de troede, at førstnævnte var “også risikabelt, men mere realistisk,” siger Hoster.

” det har været en nøgtern virkelighed…lithium-ilt-batteriet er lidt som, hvad nuklear fusion er i de store teknologier,” siger han. “Der er store potentielle gevinster, men der er mange løse ender.”

men fordi lithium-luftbatterier har en energitæthed, der potentielt er 10 gange højere end for traditionelle lithium-ion-batterier, “er der stadig et stort spil, der skal spilles,” siger Hoster. “Men man er nødt til at styre forventningerne.”