Das Schema zeigt eine Lithium-Luft-Batteriezelle, die aus einer Lithium-Metall-Anode, einer luftbasierten Kathode und einem festen keramischen Polymerelektrolyten (CPE) besteht. Beim Entladen und Laden wandern Lithiumionen (Li+) von der Anode zur Kathode und dann zurück. (Bild von Argonne National Laboratory.)
Viele Besitzer von Elektroautos haben sich ein Batteriepaket gewünscht, das ihr Fahrzeug mit einer einzigen Ladung mehr als tausend Meilen weit fahren kann. Forscher des Illinois Institute of Technology (IIT) und des Argonne National Laboratory des US-Energieministeriums (DOE) haben eine Lithium-Luft-Batterie entwickelt, die diesen Traum Wirklichkeit werden lassen könnte. Das neue Batteriedesign des Teams könnte eines Tages auch heimische Flugzeuge und Langstrecken-Lkw antreiben.
Die wichtigste neue Komponente in dieser Lithium-Luft-Batterie ist ein Festelektrolyt anstelle der üblichen flüssigen Variante. Batterien mit Festelektrolyten unterliegen nicht dem Sicherheitsproblem mit den in Lithium-Ionen- und anderen Batterietypen verwendeten flüssigen Elektrolyten, die überhitzen und Feuer fangen können.
„Die Lithium-Luft-Batterie hat die höchste prognostizierte Energiedichte aller Batterietechnologien, die für die nächste Generation von Batterien über Lithium-Ionen hinaus in Betracht gezogen werden.“ — Larry Curtiss, Argonne Distinguished Fellow
Noch wichtiger ist, dass die Batteriechemie des Teams mit dem Festelektrolyten die Energiedichte möglicherweise um das Vierfache steigern kann Lithium-Ionen-Batterienwas zu einer längeren Reichweite führt.
„Über ein Jahrzehnt lang haben Wissenschaftler in Argonne und anderswo Überstunden gemacht, um eine Lithiumbatterie zu entwickeln, die den Sauerstoff in der Luft nutzt“, sagte Larry Curtiss, ein Argonne Distinguished Fellow. ”Die Lithium-Luft-Batterie hat die höchste prognostizierte Energiedichte aller Batterietechnologien, die für die nächste Generation von Batterien über Lithium-Ionen hinaus in Betracht gezogen werden.”
Bei früheren Lithium-Luft-Designs bewegt sich das Lithium in einer Lithium-Metall-Anode durch einen flüssigen Elektrolyten, um sich während der Entladung mit Sauerstoff zu verbinden, wodurch an der Kathode Lithiumperoxid (Li2O2) oder Superoxid (LiO2) entsteht. Das Lithiumperoxid oder -superoxid wird dann während des Ladevorgangs wieder in seine Lithium- und Sauerstoffkomponenten zerlegt. Diese chemische Sequenz speichert und gibt Energie nach Bedarf ab.
Der neue Festelektrolyt des Teams besteht aus einem keramischen Polymermaterial, das aus relativ kostengünstigen Elementen in Nanopartikelform hergestellt wird. Dieser neue Feststoff ermöglicht chemische Reaktionen, die beim Entladen Lithiumoxid (Li2O) erzeugen.
„Die chemische Reaktion für Lithiumsuperoxid oder -peroxid umfasst nur ein oder zwei gespeicherte Elektronen pro Sauerstoffmolekül, während die für Lithiumoxid vier Elektronen umfasst“, sagte der Argonne-Chemiker Rachid Amine. Mehr gespeicherte Elektronen bedeuten eine höhere Energiedichte.
Das Lithium-Luft-Design des Teams ist die erste Lithium-Luft-Batterie, die eine Vier-Elektronen-Reaktion bei Raumtemperatur erreicht hat. Es arbeitet auch mit Sauerstoff, der durch Luft aus der Umgebung zugeführt wird. Die Fähigkeit, mit Luft zu laufen, vermeidet den Betrieb von Sauerstofftanks, ein Problem bei früheren Konstruktionen.
Das Team wandte viele verschiedene Techniken an, um festzustellen, dass tatsächlich eine Vier-Elektronen-Reaktion stattfand. Eine Schlüsseltechnik war die Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) der Entladungsprodukte auf der Kathodenoberfläche, die am Argonne Center for Nanoscale Materials, einer Benutzereinrichtung des DOE Office of Science, durchgeführt wurde. Die TEM-Bilder lieferten wertvolle Einblicke in den Vier-Elektronen-Entladungsmechanismus.
Frühere Lithium-Luft-Testzellen litten unter sehr kurzen Zyklenlebensdauern. Das Team stellte fest, dass dieser Mangel bei seinem neuen Batteriedesign nicht der Fall ist, indem es eine Testzelle für 1000 Zyklen baute und betreibt und ihre Stabilität bei wiederholtem Laden und Entladen demonstrierte.
„Mit der weiteren Entwicklung erwarten wir, dass unser neues Design für die Lithium-Luft-Batterie auch eine Rekordenergiedichte von 1200 Wattstunden pro Kilogramm erreicht“, sagte Curtiss. ”Das ist fast viermal besser als Lithium-Ionen-Batterien.”
Mohammad Asadi, Assistenzprofessor für Chemieingenieurwesen an Illinois Institutte von Technologie. Eine bei Raumtemperatur wiederaufladbare Lithium-Luft-Batterie auf Li2O-Basis, die durch einen festen Elektrolyten ermöglicht wird. Bild mit freundlicher Genehmigung von ICH S.
Diese Forschung wurde in einer kürzlich erschienenen Ausgabe von Science veröffentlicht. Zu den Argonne-Autoren gehören Larry Curtiss, Rachid Amine, Lei Yu, Jianguo Wen, Tongchao Liu, Hsien-Hau Wang, Paul C. Redfern, Christopher Johnson und Khalil Amine. Zu den Autoren des IIT gehören Mohammad Asadi, Mohammadreza Esmaeilirad und Ahmad Mosen Harzandi. Zu den Autoren der University of Illinois Chicago gehören Reza Shahbazian-Yassar, Mahmoud Tamadoni Saray, Nannan Shan und Anh NgÖ.
Die Forschung wurde vom DOE Vehicle Technologies Office und dem Office of Basic Energy Sciences über das Joint Center for Energy Storage Research finanziert.
Mit freundlicher Genehmigung von Argonne National Laboratory.