Lithium-lucht versus lithium-ion:deskundige inzichten en prestatievergelijking

Billy Hurley, digitaal redactiemanager

“Ons ontwerp van lithium-luchtbatterijen vertegenwoordigt een revolutie in de batterijgemeenschap”, zegt Amin Salehi-Khojin, assistent-professor mechanische en industriële techniek aan de Universiteit van Illinois in Chicago.

Salehi-Khojin en collega-onderzoekers van UIC en Argonne National Laboratory hebben een elektrochemische cel ontworpen die in een natuurlijke luchtomgeving werkt en nog steeds functioneert na een recordaantal van 750 laad-/ontlaadcycli.

Een lithium-luchtbatterij combineert zuurstof uit de lucht met lithium dat in de anode aanwezig is. Het mengsel produceert lithiumperoxide tijdens de ontladingsfase – en een afbraak van lithium- en zuurstofcomponenten tijdens de oplaadfase.

De experimentele lithium-luchtbatterij. (Foto:Amin Salehi-Khojin.)

Er wordt aangenomen dat lithium-luchtbatterijen het vermogen hebben om tot vijf keer meer energie vast te houden dan dezelfde lithium-ionbatterijen die de huidige telefoons, laptops en elektrische voertuigen van stroom voorzien.

Vroege ‘lithium-lucht’-ideeën zijn echter vaak mislukt.

Wanneer lithiumionen zich combineren met kooldioxide en waterdamp in de lucht, zijn er vaak bijproducten die de kathode aankoeken.

Om de opbouw te voorkomen en de batterij in een natuurlijke luchtomgeving te laten werken, bedekten de onderzoekers van UIC en Argonne de lithiumanode met een dunne laag lithiumcarbonaat. De coating laat selectief lithiumionen uit de anode toe om de elektrolyt binnen te dringen, terwijl wordt voorkomen dat ongewenste verbindingen de anode bereiken.

In experimentele ontwerpen van lithium-luchtbatterijen komt zuurstof de elektrolyt binnen via een op koolstof gebaseerde sponsachtige roosterstructuur.

Salehi-Khojin en zijn collega's bedekten de roosterstructuur met een molybdeendisulfaatkatalysator. De unieke hybride elektrolyt – gemaakt van ionische vloeistof en dimethylsulfoxide, een veel voorkomend bestanddeel van batterij-elektrolyten – hielp lithium-zuurstofreacties te vergemakkelijken, lithiumreacties met andere elementen in de lucht te minimaliseren en de efficiëntie van de batterij te vergroten.

Onze lezers hadden echter vragen. Wat moet ik doen als de batterij oververhit raakt? Kan de batterij ontploffen? Zijn er veiligheidsproblemen? Hoe verhoudt een lithium-luchtbatterij zich tot een lithium-ionbatterij? Larry Curtiss, Argonne Distinguished Fellow en co-hoofdauteur van het onderzoek, nam de tijd om antwoorden te geven aan ons publiek. Zie de reacties hieronder.

Wat is het oplaadtarief?

Curtiss: De laadsnelheid zou op dit moment vergelijkbaar zijn met die van een Li-ion-batterij. Dit zou met verder onderzoek kunnen worden verhoogd.

Hoe overtreft uw nieuwe ontwerp Li-ion-batterijen?

Door gebruik te maken van chemische bindingen tussen Li en zuurstof kunnen de batterijen veel meer energie opslaan, omdat de bindingen dichter zijn dan de intercalatie-intercalatie-interacties tussen Li en de metaaloxidelagen die in Li-ion-batterijen worden gebruikt.

Wat is de kans op ontvlambaarheid of explosie (bij lekrijden, oververhitting, overbelasting, enz.)?

Curtiss: Eén onderdeel van de Li-air-batterij die we hebben gepubliceerd, is de lithiumanode. Het is bekend dat dit een explosie kan veroorzaken. Veel wetenschappers werken aan het probleem van de veiligheid van de lithiumanode en zullen waarschijnlijk veel moeite kosten om deze veilig te krijgen. Het is echter vermeldenswaard dat we het oppervlak van de Li-anode hebben beschermd met een elektrisch isolator maar ionisch geleidend materiaal om elke explosie als gevolg van batterijkortsluiting tussen anode en kathode te voorkomen. Dit voorkomt ook oververhitting van de batterij.

Wat zijn de verwachte faalmodi?

Curtiss: Tijdens de opschaling zal dit onderzocht worden.

Heeft u nog andere veiligheidsproblemen? De energiedichtheid van standaard Li-Ion-batterijen is gelijk aan die van TNT. Je batterijen hebben 5x die energiedichtheid. Hoewel ze in theorie de ongewenste reacties door deze dunne coatings beperken, zijn er nog andere potentiële verontreinigingen in de lucht (CO2 N2, enz.). Kunnen sommige hiervan corrosief worden en de lagen afbreken? Kunnen er interne kortsluitingen ontstaan ​​waardoor een enkele cel wordt omgedraaid, wat tot brand kan leiden?

Curtiss: De batterij is uitsluitend op laboratoriumschaal ontwikkeld en heeft tijdens de tests geen van deze veiligheidsproblemen vertoond. De volgende stap zou zijn om deze kleine cellen op te schalen tot batterijpakketten, ze te testen, uit te zoeken wat de veiligheidsproblemen zijn en deze aan te pakken. Wij zijn echter van mening dat de oververhitting als gevolg van het omkeren van de cellen niet zou optreden in ons systeem vanwege de robuuste beschermingslaag van het Li-anode-oppervlak.

Wat denk jij? Heeft u meer vragen over lithium-luchtbatterijen? Deel ze hieronder.

Een schematische tekening van de lithium-luchtbatterij. (Credit:UIC en Argonne National Laboratories.)