Lucht-lithium vs. lithium-ion: Experts inzichten & prestatievergelijking

Revolutionair ontwerp voor lucht-lithium batterijen

"Ons lucht-lithium batterijontwerp vertegenwoordigt een revolutie in de batterijgemeenschap," aldus Amin Salehi-Khojin, assistent professor mechanische en industriële engineering aan de Universiteit van Illinois in Chicago.

Salehi-Khojin en medeonderzoekers van UIC en Argonne National Laboratory hebben een elektrochemische cel ontworpen die in een natuurlijke luchtomgeving werkt en nog steeds functioneert na een recordbrekende 750 laad/ontlaad cycli.

Hoe lucht-lithium batterijen werken

Een lucht-lithium batterij combineert zuurstof uit de lucht met lithium in de anode. Het mengsel produceert lithiumperoxide tijdens de ontlaadfase — en een afbraak van lithium- en zuurstofcomponenten in de laadfase.

Lucht-lithium batterijen zouden de capaciteit kunnen hebben om tot vijf keer meer energie op te slaan dan dezelfde lithium-ion batterijen die de huidige telefoons, laptops en elektrische voertuigen voeden.

Uitdagingen en oplossing

Vroege "lucht-lithium" ideeën zijn echter vaak mislukt. Wanneer lithium-ionnen zich combineren met koolstofdioxide en waterdamp in de lucht, is het resultaat vaak byproducten die de kathode verstopen.

Om de opbouw te voorkomen en de batterij in een natuurlijke luchtomgeving te laten werken, bedekte het UIC- en Argonne-onderzoeksteam de lithium-anode met een dunne laag lithiumcarbonaat. De coating laat selectief lithium-ionnen van de anode het elektrolyt binnenkomen — terwijl ongewenste verbindingen de anode niet bereiken.

In experimentele ontwerpen van lucht-lithium batterijen gaat zuurstof het elektrolyt in via een koolstof-gebaseerde sponsachtige roosterstructuur. Salehi-Khojin en zijn collega's bededen het roosterstructuur met een molybdeen-disulfaat katalysator. Het unieke hybride elektrolyt — gemaakt van ionische vloeistof en dimethylsulfoxide, een veelvoorkomend onderdeel van batterijelektrolyten — hielp om lithium-zuurstof reacties te faciliteren, lithiumreacties met andere elementen in de lucht te minimaliseren en de efficiëntie van de batterij te verhogen.

Vragen van lezers beantwoord door Larry Curtiss

Onze lezers hadden echter vragen. Wat als de batterij oververhit? Kan de batterij exploderen? Zijn er veiligheidsrisico's? Hoe staat een lucht-lithium batterij tegenover een lithium-ion batterij? Larry Curtiss, Argonne Distinguished Fellow en mede-hoofdauteur van de studie, nam de tijd om antwoorden te geven aan onze lezers.

Laadsnelheid

Wat is de laadsnelheid?
Curtis: De laadsnelheid op dit moment zou vergelijkbaar zijn met een Li-ion batterij. Het kan verhoogd worden met verder onderzoek.

Uitstekende prestaties ten opzichte van Li-ion

Hoe overtreft uw nieuwe ontwerp Li-ion batterijen?
Curtis: Door chemische bindingen tussen Li en zuurstof te gebruiken, kunnen de batterijen veel meer energie opslaan, omdat de bindingen dichter zijn dan de interkalatie-interacties tussen Li en de metaaloxide-lagen die in Li-ion batterijen worden gebruikt.

Brandbaarheid en explosierisico

Wat is het potentieel voor brandbaarheid of explosie (bij doorboring, oververhitting, overlading, etc.)?
Curtis: Een component van de Li-lucht batterij die we publiceerden is de lithium-anode. Het is bekend dat dit een explosie kan veroorzaken. Veel wetenschappers werken aan het veiligheidsprobleem van de lithium-anode en zal waarschijnlijk veel inspanning kosten om het veilig te krijgen. Het is echter de moeite waard te vermelden dat we het oppervlak van de Li-anode hebben beschermd met een elektrisch isolerend maar ionisch geleidend materiaal om elke explosie te voorkomen door kortsluiting tussen anode en kathode. Dit voorkomt ook oververhitting van de batterij.

Falmodi

Wat zijn de verwachte falmodi?
Curtis: Dit zal onderzocht worden tijdens opschaling.

Overige veiligheidsrisico's

Enige andere veiligheidsrisico's? De energiedichtheid van standaard Li-ion batterijen is gelijk aan die van TNT. Uw batterijen hebben 5x die energiedichtheid. Hoewel ze in theorie de ongewenste reacties beperken door deze dunne coatings, zijn er andere potentiële verontreinigingen in lucht (CO2, N2, etc.). Kunnen sommige van deze corroderend worden en de lagen afbreken? Kunnen interne kortsluitingen ontstan die een enkele cel omkeren leidend tot brand?
Curtis: De batterij is op labschaal ontwikkeld waar het geen van deze veiligheidsproblemen heeft getoond tijdens de tests. De volgende stap zou zijn om deze kleine cellen op te schalen tot batterijpakketten, ze te testen, en te ontdekken wat de veiligheidsproblemen zijn en deze aan te pakken. Echter, we geloven dat oververhitting door celomkering niet zou voorkomen in ons systeem door de robuuste beschermingslaag van het Li-anode oppervlak.