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Wissenschaftler enthüllen neues Lithium-Sauerstoff-Batterie-Design
Mar 29, 2018

Wissenschaftler enthüllen neues Lithium-Sauerstoff-Batterie-Design

THEMEN: Batterietechnologie Chemie Graphene Green Technologie Materialwissenschaft Universität Cambridge

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Falschfarbenmikroskopische Aufnahme einer reduzierten Graphenoxid-Elektrode (schwarz, Mitte), die die großen (in der Größenordnung von 20 Mikrometern) Lithiumhydroxid-Partikel (pink) beherbergt, die sich bei der Entladung einer Lithium-Sauerstoff-Batterie bilden. Kredit: T Liu et al., Wissenschaft 350: 530 (2015)

 

Mit einer hochporösen Graphen-Elektrode haben Wissenschaftler einen laborbasierten Demonstrator einer Lithium-Sauerstoff-Batterie entwickelt, der eine höhere Kapazität, erhöhte Energieeffizienz und verbesserte Stabilität gegenüber früheren Designs aufweist.

 

Wissenschaftler haben einen funktionierenden Labordemonstrator für eine Lithium-Sauerstoff-Batterie entwickelt, der eine sehr hohe Energiedichte aufweist, zu mehr als 90% effizient ist und bis heute mehr als 2000 Mal aufgeladen werden kann, was zeigt, dass einige der Probleme die Entwicklung hemmen von diesen Geräten könnte gelöst werden.

 

Lithium-Sauerstoff- oder Lithium-Luft-Batterien werden aufgrund ihrer theoretischen Energiedichte, die zehnmal so hoch ist wie die einer Lithium-Ionen-Batterie, als "ultimative" Batterie angepriesen. Eine solche hohe Energiedichte wäre vergleichbar mit der von Benzin - und würde ein Elektroauto mit einer Batterie, die ein Fünftel der Kosten und ein Fünftel des Gewichts der derzeit auf dem Markt ist, mit einer einzigen Ladung von London nach Edinburgh fahren.

 

Wie bei anderen Batterien der nächsten Generation müssen jedoch einige praktische Herausforderungen bewältigt werden, bevor Lithium-Luft-Batterien eine brauchbare Alternative zu Benzin werden.

 

Jetzt haben Forscher der Universität Cambridge gezeigt, wie einige dieser Hindernisse überwunden werden können, und einen Labor-Demonstrator für eine Lithium-Sauerstoff-Batterie entwickelt, der höhere Kapazität, erhöhte Energieeffizienz und verbesserte Stabilität gegenüber früheren Versuchen aufweist.

 

Ihr Demonstrator beruht auf einer hochporösen, "flauschigen" Kohlenstoffelektrode aus Graphen (mit einatomigen Kohlenstoffschichten) und Additiven, die die chemischen Reaktionen bei der Arbeit in der Batterie verändern und ihn stabiler und effizienter machen. Während die in der Fachzeitschrift Science veröffentlichten Ergebnisse vielversprechend sind, warnen die Forscher, dass eine praktische Lithium-Luft-Batterie noch mindestens ein Jahrzehnt entfernt ist.

 

"Was wir erreicht haben, ist ein bedeutender Fortschritt für diese Technologie und schlägt völlig neue Bereiche für die Forschung vor - wir haben nicht alle Probleme dieser Chemie gelöst, aber unsere Ergebnisse zeigen Wege zu einem praktischen Gerät", sagte Professor Clare Grey von Cambridge's Department of Chemistry, der Autor der Zeitung.

 

Viele der Technologien, die wir jeden Tag verwenden, werden jedes Jahr kleiner, schneller und billiger - mit Ausnahme von Batterien. Abgesehen von der Möglichkeit, dass ein Smartphone tagelang aufgeladen werden kann, verhindern die Herausforderungen, die mit einer besseren Batterie verbunden sind, die weitverbreitete Anwendung zweier wichtiger sauberer Technologien: Elektroautos und netzgestützter Speicher für Solarenergie.

 

"In ihrer einfachsten Form bestehen Batterien aus drei Komponenten: einer positiven Elektrode, einer negativen Elektrode und einem Elektrolyt", sagte Dr. Tao Liu, ebenfalls vom Department of Chemistry, und der erste Autor des Papiers.

 

Bei den Lithium-Ionen (Li-Ionen) -Batterien, die wir in unseren Laptops und Smartphones verwenden, besteht die negative Elektrode aus Graphit (eine Form von Kohlenstoff), die positive Elektrode besteht aus einem Metalloxid, beispielsweise Lithium-Cobalt-Oxid, und der Elektrolyt ist ein Lithiumsalz, das in einem organischen Lösungsmittel gelöst ist. Die Wirkung der Batterie hängt von der Bewegung der Lithiumionen zwischen den Elektroden ab. Lithium-Ionen-Batterien sind zwar leicht, aber ihre Kapazität nimmt mit zunehmendem Alter ab und aufgrund ihrer relativ niedrigen Energiedichte müssen sie häufig aufgeladen werden.

 

In den letzten zehn Jahren haben Forscher verschiedene Alternativen zu Lithium-Ionen-Batterien entwickelt, und Lithium-Luft-Batterien gelten aufgrund ihrer extrem hohen Energiedichte als ultimative Energiespeicher der nächsten Generation. Frühere Versuche funktionierender Demonstratoren hatten jedoch eine geringe Effizienz, eine schlechte Ratenleistung, unerwünschte chemische Reaktionen und können nur in reinem Sauerstoff zyklisch durchgeführt werden.

 

Was Liu, Gray und ihre Kollegen entwickelt haben, verwendet eine ganz andere Chemie als frühere Versuche mit einer nicht-wässrigen Lithium-Luft-Batterie, die Lithiumhydroxid (LiOH) anstelle von Lithiumperoxid (Li2O2) verwendet. Mit der Zugabe von Wasser und der Verwendung von Lithiumiodid als "Mediator" zeigte ihre Batterie weit weniger chemische Reaktionen, die zum Absterben von Zellen führen können, was sie nach mehreren Lade- und Entladezyklen wesentlich stabiler macht.

 

Durch die präzise Konstruktion der Elektrodenstruktur, den Wechsel zu einer hochporösen Form von Graphen, die Zugabe von Lithiumiodid und die Veränderung der chemischen Zusammensetzung des Elektrolyts konnten die Forscher die "Spannungslücke" zwischen Ladung und Entladung auf 0,2 Volt reduzieren . Eine kleine Spannungslücke ist gleichbedeutend mit einer effizienteren Batterie - frühere Versionen einer Lithium-Luft-Batterie haben es nur geschafft, die Lücke auf 0,5 - 1,0 Volt zu reduzieren, während 0,2 Volt näher an der einer Li-Ionen-Batterie liegt Energieeffizienz von 93%.

 

Die hochporöse Graphenelektrode erhöht die Kapazität des Demonstrators ebenfalls stark, allerdings nur bei bestimmten Lade- und Entladungsgeschwindigkeiten. Andere Probleme, die noch angegangen werden müssen, umfassen einen Weg, die Metallelektrode zu schützen, so dass sie keine spindeldürren Lithiummetallfasern bildet, die als Dendriten bekannt sind, was dazu führen kann, dass Batterien explodieren, wenn sie zu stark wachsen und die Batterie kurzschließen.

Außerdem kann der Demonstrator nur in reinem Sauerstoff betrieben werden, während die Luft um uns herum auch Kohlendioxid, Stickstoff und Feuchtigkeit enthält, die für die Metallelektrode im Allgemeinen schädlich sind.

 

"Es gibt noch viel zu tun", sagte Liu. "Aber was wir hier gesehen haben, deutet darauf hin, dass es Möglichkeiten gibt, diese Probleme zu lösen - vielleicht müssen wir die Dinge nur ein wenig anders betrachten."

 

"Zwar gibt es noch eine Menge grundlegender Studien, die noch zu tun sind, um einige der mechanistischen Details auszubügeln, die aktuellen Ergebnisse sind jedoch äußerst spannend - wir befinden uns immer noch in der Entwicklungsphase, aber wir haben gezeigt, dass es Lösungen gibt zu einigen der schwierigen Probleme, die mit dieser Technologie verbunden sind ", sagte Gray.

Die Autoren würdigen die Unterstützung des US-Energieministeriums, des Ingenieur- und Physikalischen Forschungsrats (EPSRC), von Johnson Matthey und der Europäischen Union durch die Marie-Curie-Maßnahmen und das Graphen-Flaggschiff. Die Technologie wurde patentiert und wird von Cambridge Enterprise, dem Kommerzialisierungsarm der Universität, vermarktet.

 

Veröffentlichung: Tao Liu, et al., "Radfahren Li-O2-Batterien über LiOH Bildung und Zersetzung" Wissenschaft 30. Oktober 2015: Vol. 350 Nein. 6260 S. 530-533; DOI: 10.1126 / science.aac7730

Quelle: Universität von Cambridge