Slog fortsätter för litium-Luftbatterier

en ny katod kan förbättra batterilivslängden, men litium-luftbatterier håller fortfarande bara cirka två månader

för ägare av elfordon är räckviddsångest—rädslan för att få slut på ström innan nästa Laddstation—verklig. Biltillverkare, angelägna om att ta med elbilar till massmarknaden, har i flera år sökt alternativ som kan lagra mer laddning än dagens litiumjonbatterier.

ett alternativ är litium-luft, och ett team av forskare har uppfunnit en ny typ av katod som de hävdar kan förlänga livslängden för sådana batterier. I en studie publicerad i Applied Catalysis B: Miljö, teamet från Sydkorea och Thailand beskriver hur de belagda nickel koboltsulfid nanoflakes på en grafenkatod dopad med svavel. Resultatet: en elektrod som har både förbättrad elektrisk ledningsförmåga och katalytisk aktivitet.

”det är en mycket intressant designmetod”, säger Harry Hoster, chef för Energy Lancaster, ett brittiskt forskningsinstitut som är dedikerat till energiteknik.

batterier genererar vanligtvis elektrisk energi genom en redoxreaktion. När det gäller litium-luftbatterier oxideras litium från anoden medan syremolekyler reduceras vid katoden. Den resulterande produkten är litiumperoxid (Li2O2).

katoden är förmodligen där magin händer. Eftersom syre kan levereras kontinuerligt från luft snarare än lagras i ändliga mängder i cellen, kan litium-luftbatterier teoretiskt ge en energitäthet 10 gånger den hos deras litiumjonkusiner. Och ju mer litiumperoxid som ackumuleras på grafitkatoden, desto högre är batteriets laddningskapacitet.

att modifiera kolkatoden med svavel gör det lättare för litiumperoxid att hålla fast vid det, säger Hoster. ”Svavelatomerna ger lokala limfläckar, förankringspunkter för saker att hålla fast vid”, säger han.

svavel ger också ytterligare fördelar för batteriet, säger fysisk kemist Sangaraju Shanmugam från Koreas Daegu Gyeongbuk Institute of Science and Technology, och en av tidningens medförfattare. Eftersom svavelatomer är mycket större i storlek jämfört med deras kol motsvarigheter, svavel-dopning katoden expanderar den porösa kolgitterstrukturen, vilket ökar dess yta. ”När detta händer kan elektronerna röra sig bättre inom grafen och så förbättras elektrisk ledningsförmåga”, säger Shanmugam.

beläggning av katodytan med nickel koboltsulfid nanoflakes ger en extra boost genom att öka katalytisk aktivitet. ”Svavel interagerar med metallställena i nickel koboltsulfid, och det finns en stark synergistisk interaktion mellan grafenytan och nanoflakes”, förklarar Shanmugam.

flingorna bildar också ett skyddande skikt mellan katodytan och den resulterande litiumperoxidutsläppsprodukten, som är mycket frätande. Resultatet är en mycket förbättrad battericyklabilitet—drygt 1700 timmar, eller mer än två månader—vilket Shanmugam säger är ”en av de starkaste punkterna” i sin uppfinning. Den specifika urladdningskapaciteten är också” Ultrahög ” vid nästan 14 200 milliampere timme per gram (mAh/g). Ett patent väntar i Korea för den nya tekniken.

” de material som de har föreslagit är mycket, mycket intressant…och det ser ut som om de är de första som tar med detta till samhället”, säger Lancasters Hoster. Men han är försiktig med hur optimistiska resultaten verkligen är.

systemet måste testas mer robust, säger han. För att korrekt mäta elektrokatalytisk aktivitet borde forskarna ha gjort ett cykliskt voltammogram (en typ av test där en extern spänning appliceras och varieras för att se hur batteriströmmen ändras motsvarande) vid höga, snarare än låga hastigheter. Dessutom är urladdningsexperimentet som de utförde för Grunt (stoppar vid en specifik kapacitet på 1000 mAH/g) för att betraktas som ett korrekt stresstest, eftersom ”du inte producerar mycket av de sidoprodukter som får batteriet att blekna på lång sikt”, säger Hoster.

han belyser också batteriets låga laddningseffektivitet, vilket är ett mått på hur mycket energi du får jämfört med den energi du lägger på att ladda den. Energiförlust kan uppstå på grund av värmeproduktion eller oönskade sidreaktioner som äger rum vid elektroderna. Vid ungefär 65 procent är det 15 till 25 procent lägre än vad vi förväntar oss av litiumjonbatterier. Detta är ett av ett antal problem som fortsätter att plåga användningen av litium-luftbatterier. Andra inkluderar vad man ska göra med den kemiskt aggressiva litiumperoxidbiprodukten som bildas, vilket kräver en hög laddningsspänning för att ta bort, kan sönderdela elektrolyten och därefter begränsa batteriets livslängd.

den rena litiumanoden utgör också ett problem. Mycket reaktivt, litium kan antändas när det utsätts för vatten och andra element. Sedan är det frågan om själva luften. Medan tillförsel av syre till batterier fungerar bra i ett labb, är det inte möjligt för elfordon som körs på vägar. Att använda luft är målet, men du måste först ta bort batteriskadliga föroreningar som koldioxid och vattenånga.

dessa utvecklingsutmaningar har dämpat entusiasmen för litium-luftbatterier de senaste åren, med företag som IBM och det USA-finansierade Joint Center for Energy Storage Research som överger sin forskning till förmån för andra nästa generations batterityper. Även Faraday Institution, en Storbritannien. institution som har hällt 65 miljoner i batteriforskning, bestämde sig för att investera i litium-svavelbatterier över litium-luftbatterier i sin senaste finansieringsrunda eftersom de tyckte att den förra var ”också riskabel men mer realistisk”, säger Hoster.

” det har varit en nykterande verklighet…litium-syrebatteriet är lite som vad kärnfusion är i de stora teknikerna, ” säger han. ”Det finns stora potentiella vinster, men det finns många lösa ändar.”

men eftersom litium-luftbatterier har en energitäthet som är potentiellt 10 gånger högre än för traditionella litiumjonbatterier, ”finns det fortfarande ett stort spel att spela”, säger Hoster. ”Men man måste hantera förväntningarna.”