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Neues Design produziert echte Lithium-Luft-Batterie
Mar 22, 2018

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Forscher an der Universität von Illinois in Chicago und im Argonne National Laboratory haben eine neue Lithium-Luft-Batterie entwickelt, die in einer natürlichen Luftumgebung funktioniert und nach rekordverdächtigen 750 Lade- / Entladezyklen weiterhin funktioniert. Ihre Ergebnisse werden in der Zeitschrift Nature berichtet .


"Unser Lithium-Luft-Batterie- Design stellt eine Revolution in der Batterie- Community dar", sagte Amin Salehi-Khojin, Assistenzprofessor für Maschinenbau und Industrietechnik und Mitverfasser des Artikels. "Diese erste Demonstration einer echten Lithium-Luft-Batterie ist ein wichtiger Schritt hin zu dem, was wir" jenseits von Lithium-Ionen -Batterien "nennen, aber wir haben noch mehr zu tun, um sie zu kommerzialisieren."

 

Lithium-Luft-Batterien, von denen man glaubt, dass sie in der Lage sind, bis zu fünf Mal mehr Energie zu speichern als die Lithium-Ionen-Batterien, die unsere Telefone, Laptops und elektrischen Fahrzeuge versorgen, sind Batterieforscher seit Jahren verlockend. Aber einige Hindernisse haben ihre Entwicklung geplagt.

 

Die Batterien würden funktionieren, indem in der Anode vorhandenes Lithium mit Sauerstoff aus der Luft kombiniert wird , um Lithiumperoxid an der Kathode während der Entladungsphase zu erzeugen . Das Lithiumperoxid würde während der Ladephase in seine Lithium- und Sauerstoffkomponenten zerlegt werden.

 

 

Unglücklicherweise waren experimentelle Konstruktionen solcher Lithium-Luft-Batterien aufgrund der Oxidation der Lithiumanode und der Erzeugung unerwünschter Nebenprodukte auf der Kathode, die sich aus der Kombination von Lithiumionen mit Kohlendioxid und Wasserdampf ergeben, nicht in der Lage, in einer echten natürlichen Luftumgebung zu arbeiten in der Luft. Diese Nebenprodukte verkleben die Kathode, die schließlich vollständig beschichtet wird und nicht mehr funktionieren kann. Diese Versuchsbatterien haben sich auf Behälter aus reinem Sauerstoff verlassen, was ihre Praktikabilität einschränkt und aufgrund der Entflammbarkeit von Sauerstoff ernsthafte Sicherheitsrisiken darstellt.

 

"Einige andere haben versucht, Lithium-Luft-Batteriezellen zu bauen, aber sie haben wegen der schlechten Zyklusdauer versagt", sagte Larry Curtiss, Co-Hauptautor und Argonne Distinguished Fellow.

Das Forscherteam von UIC-Argonne bewältigte diese Herausforderungen, indem es eine einzigartige Kombination aus Anode, Kathode und Elektrolyt - den drei Hauptbestandteilen einer Batterie - verwendete, um die Anodenoxidation und den Aufbau von Batterie zerstörenden Nebenprodukten auf der Kathode zu verhindern und den Betrieb der Batterie zu ermöglichen eine natürliche Luftumgebung.

 

Sie beschichteten die Lithiumanode mit einer dünnen Lithiumcarbonatschicht , die selektiv Lithiumionen von der Anode in den Elektrolyten eindringen lässt und gleichzeitig verhindert, dass unerwünschte Verbindungen die Anode erreichen.

 

In einer Lithium-Luft-Batterie ist die Kathode einfach dort, wo die Luft in die Batterie eintritt. In experimentellen Designs von Lithium-Luft-Batterien tritt Sauerstoff zusammen mit allen anderen Gasen, die Luft bilden, durch eine kohlenstoffbasierte schwammartige Gitterstruktur in den Elektrolyten ein.

 

Salehi-Khojin und seine Kollegen beschichteten die Gitterstruktur mit einem Molybdändisulfat-Katalysator und verwendeten einen einzigartigen Hybridelektrolyten aus ionischen Flüssigkeiten und Dimethylsulfoxid, einem gemeinsamen Bestandteil von Batterieelektrolyten, die dazu beitragen, Lithium-Sauerstoff-Reaktionen zu erleichtern und Lithiumreaktionen mit anderen Elementen zu minimieren in der Luft und steigern die Effizienz der Batterie.

 

"Die komplette architektonische Überholung, die wir an dieser Batterie durch die Neugestaltung aller Teile vorgenommen haben, half uns, die Reaktionen zu ermöglichen, die wir erreichen wollten, und verhinderte oder blockierte diejenigen, die letztendlich zum Tod der Batterie führen würden", sagte Salehi-Khojin.

 

Das UIC-Team baute, testete, analysierte und charakterisierte die Batteriezellen. Die Argonnen-Gruppe führte zusammen mit Kollegen der UIC und der California State University die computergestützten Analysen durch.