Lithium-Luft-Batterie - Lithium–air battery

Lithium-Luft-Batterie
Spezifische Energie 40.104.000 J / kg (theoretisch)
Energiedichte ? J /
Spezifische Leistung 11400 W / kg
Nennzellenspannung 2,91 V.

Die Lithium-Luft-Batterie ( Li-Luft ) ist eine elektrochemische Metall-Luft-Zelle oder Batteriechemie , bei der die Oxidation von Lithium an der Anode und die Reduktion von Sauerstoff an der Kathode verwendet werden , um einen Stromfluss zu induzieren.

Die Paarung von Lithium und Umgebungssauerstoff kann theoretisch zu elektrochemischen Zellen mit der höchstmöglichen spezifischen Energie führen . Tatsächlich beträgt die theoretische spezifische Energie einer nichtwässrigen Li-Luft-Batterie im geladenen Zustand mit Li 2 O 2 -Produkt und ohne Sauerstoffmasse ~ 40,1 MJ / kg. Dies ist vergleichbar mit der theoretischen spezifischen Energie von Benzin, ~ 46,8 MJ / kg. In der Praxis wurden Li-Luft-Batterien mit einer spezifischen Energie von ~ 6,12 MJ / kg auf Zellebene demonstriert. Dies ist etwa fünfmal so viel wie bei einer handelsüblichen Lithium-Ionen-Batterie und reicht aus, um ein 2.000 kg schweres Elektrofahrzeug für ~ 500 km mit einer einzigen Ladung mit 60 kg Batterien zu betreiben . Die praktische Leistung und der Lebenszyklus von Li-Air-Batterien müssen jedoch erheblich verbessert werden, bevor sie eine Marktnische finden können.

Um eine kommerzielle Implementierung zu entwickeln, sind erhebliche Fortschritte beim Elektrolyt erforderlich. Es werden vier Ansätze in Betracht gezogen: aprotisch , wässrig , fest und gemischt wässrig-aprotisch.

Ein wichtiger Markttreiber für Batterien ist der Automobilsektor. Die Energiedichte von Benzin beträgt ca. 13 kW · h / kg, was 1,7 kW · h / kg Energie entspricht, die den Rädern nach Verlusten zugeführt wird. Theoretisch kann Lithium-Luft ohne Sauerstoffmasse 12 kW · h / kg (43,2 MJ / kg) erreichen. Unter Berücksichtigung des Gewichts des gesamten Akkus (Gehäuse, Luftkanäle, Lithiumsubstrat) ist die Energiedichte erheblich geringer, obwohl Lithium allein sehr leicht ist.

Geschichte

Ursprünglich in den 1970er Jahren als mögliche Energiequelle für Batterie-Elektrofahrzeuge und Hybrid-Elektrofahrzeuge vorgeschlagen , erlangten Li-Luft-Batterien Ende des ersten Jahrzehnts der 2000er Jahre aufgrund der Fortschritte in der Materialwissenschaft wieder wissenschaftliches Interesse .

Obwohl die Idee einer Lithium-Luft-Batterie lange vor 1996 bestand, wurde das Risiko-Nutzen-Verhältnis als zu hoch angesehen, um verfolgt zu werden. In der Tat sind sowohl die negative (Lithiummetall) als auch die positive (Luft oder Sauerstoff) Elektrode die Gründe, warum wiederaufladbare Lithium-Metall-Batterien in den 1970er Jahren nicht auf den Markt kamen (die Lithium-Ionen-Batterie in einem mobilen Gerät verwendet eine LiC 6 -Graphitverbindung auf der negativen Elektrode, kein Lithiummetall). Aufgrund des vermeintlichen Mangels an anderen Alternativen zu wiederaufladbaren Batterien mit hoher spezifischer Energie und einiger anfänglich vielversprechender Ergebnisse aus akademischen Labors wurde jedoch sowohl die Anzahl der Patente als auch der Veröffentlichungen im freien Bereich in Bezug auf Lithium-Sauerstoff (einschließlich Li-Luft) angegeben. Die Batterien begannen 2006 exponentiell zu wachsen. Die technischen Schwierigkeiten, mit denen solche Batterien konfrontiert sind, insbesondere die Ladezeiten, die Stickstoff- und Wasserempfindlichkeit und die an sich schlechte Leitfähigkeit der geladenen Li 2 O 2 -Spezies, sind jedoch große Herausforderungen.

Design und Betrieb

Schema der Lade- und Entladezyklen der Lithium-Luft-Batterie

Im Allgemeinen bewegen sich Lithiumionen zwischen der Anode und der Kathode über den Elektrolyten. Unter Entladung folgen Elektronen dem externen Stromkreis, um elektrische Arbeit zu leisten, und die Lithiumionen wandern zur Kathode. Während des Ladens werden die Lithiummetallplatten auf die Anode aufgebracht, wodurch O freigesetzt wird
2
an der Kathode. Es wurden sowohl nichtwässrige (mit Li 2 O 2 oder LiO 2 als Entladungsprodukte) als auch wässrige (LiOH als Entladungsprodukt) Li-O 2 -Batterien berücksichtigt. Die wässrige Batterie benötigt eine Schutzschicht auf der negativen Elektrode, damit das Li-Metall nicht mit Wasser reagiert.

Schema der Grenzfläche zwischen künstlicher und spontaner Elektrolyt

Anode

Lithiummetall ist die typische Anodenwahl. An der Anode zwingt das elektrochemische Potential das Lithiummetall, Elektronen durch Oxidation freizusetzen (ohne den kathodischen Sauerstoff einzubeziehen). Die Halbreaktion ist:

Li ⇌ Li + + e -

Lithium hat im Vergleich zu anderen Metall-Luft-Batteriematerialien (820 mAh / g für Zink, 2965 mAh / g für Aluminium ) eine hohe spezifische Kapazität (3840 mAh / g ). Verschiedene Probleme betreffen solche Zellen. Die größte Herausforderung bei der Anodenentwicklung besteht darin, zu verhindern, dass die Anode mit dem Elektrolyten reagiert. Alternativen sind neue Elektrolytmaterialien oder die Neugestaltung der Grenzfläche zwischen Elektrolyt und Anode. Lithiumanoden riskieren dendritische Lithiumablagerungen, verringern die Energiekapazität oder lösen einen Kurzschluss aus . Die Auswirkungen der Porengröße und der Porengrößenverteilung sind nach wie vor wenig bekannt.

Beim Laden / Entladen in aprotischen Zellen fallen Schichten von Lithiumsalzen auf der Anode aus, bedecken sie schließlich und bilden eine Barriere zwischen Lithium und Elektrolyt. Diese Barriere verhindert zunächst Korrosion, hemmt jedoch schließlich die Reaktionskinetik zwischen Anode und Elektrolyt. Diese chemische Änderung der Fest-Elektrolyt-Grenzfläche (SEI) führt zu einer unterschiedlichen chemischen Zusammensetzung auf der Oberfläche, wodurch der Strom entsprechend variiert. Die ungleichmäßige Stromverteilung fördert das Wachstum von verzweigten Dendriten und führt typischerweise zu einem Kurzschluss zwischen Anode und Kathode.

In wässrigen Zellen resultieren Probleme am SEI aus der hohen Reaktivität von Lithiummetall mit Wasser.

Mehrere Ansätze versuchen, diese Probleme zu überwinden:

  • Bildung einer Li-Ionen - Schutzschicht unter Verwendung von Di- und Triblock - Copolymer Elektrolyten. Nach Seeo, Inc. kombinieren solche Elektrolyte (z. B. Polystyrol mit der hohen Li-Ionen-Leitfähigkeit eines weichen Polymersegments wie einer Mischung aus Poly (ethylenoxid (PEO) und Li-Salz)) die mechanische Stabilität eines harten Polymersegment mit der hohen Ionenleitfähigkeit des weichen Polymer-Lithiumsalz-Gemisches. Die Härte verhindert Dendriten-Kurzschlüsse durch mechanisches Blockieren.
  • Li-Ionen leitendes Glas oder glaskeramische Materialien werden (im Allgemeinen) leicht durch Lithiummetall und daher einen dünnen Film aus einem stabilen lithiumleitenden Material wie Li reduziert
    3
    P
    oder Li
    3
    N
    kann zwischen Keramik und Metall eingefügt werden. Dieser SEI auf Keramikbasis hemmt die Bildung von Dendriten und schützt das Lithiummetall vor Luftverschmutzung.

Kathode

Während der Ladung an der Kathode spendet Sauerstoff durch Reduktion Elektronen an das Lithium. Mesoporöser Kohlenstoff wurde als Kathodensubstrat mit Metallkatalysatoren verwendet, die die Reduktionskinetik verbessern und die spezifische Kapazität der Kathode erhöhen. Mangan, Kobalt, Ruthenium, Platin, Silber oder eine Mischung aus Kobalt und Mangan sind potenzielle Metallkatalysatoren. Unter bestimmten Umständen schnitten Mangan-katalysierte Kathoden mit einer spezifischen Kapazität von 3137 mA · H / g Kohlenstoff am besten ab, und Kobalt-katalysierte Kathoden schnitten mit einer spezifischen Kapazität von 2414 mA · H / g Kohlenstoff am zweitbesten ab. Basierend auf der ersten Modellierung von Lithium-Luft-Batterien im Porenmaßstab beeinflusst die Mikrostruktur der Kathode die Batteriekapazität sowohl im nicht porenblockierenden als auch im porenblockierenden Bereich erheblich.

Die meisten Grenzwerte für Li-Luft-Batterien liegen an der Kathode, die auch die Quelle ihrer potenziellen Vorteile ist. An der Kathode muss Luftsauerstoff vorhanden sein, der jedoch durch Verunreinigungen wie Wasserdampf beschädigt werden kann. Eine unvollständige Entladung aufgrund einer Verstopfung der porösen Kohlenstoffkathode mit Entladungsprodukten wie Lithiumperoxid (in aprotischen Konstruktionen) ist am schwerwiegendsten.

Katalysatoren haben sich als vielversprechend erwiesen, um eine bevorzugte Keimbildung von Li zu erzeugen
2
Ö
2
über Li
2
O
, das in Bezug auf Lithium irreversibel ist.

Die Li-Luft-Leistung wird durch die Effizienz der Reaktion an der Kathode begrenzt, da dort der größte Teil des Spannungsabfalls auftritt. Es wurden mehrere chemische Verfahren untersucht, die sich durch ihren Elektrolyten auszeichnen. Diese Diskussion konzentriert sich auf aprotische und wässrige Elektrolyte, da die Festkörperelektrochemie kaum verstanden wird.

In einer Zelle mit einem aprotischen Elektrolyten werden durch Reduktion an der Kathode Lithiumoxide erzeugt:

Li + + e - + O.
2
+ * → LiO
2
* *
Li + + e - + LiO
2
* → Li
2
Ö
2
* *

wobei "*" eine Oberflächenstelle auf Li bezeichnet
2
Ö
2
wo das Wachstum voranschreitet, was im Wesentlichen eine neutrale Li-Stelle in der Li ist
2
Ö
2
Oberfläche.

Lithiumoxide sind in aprotischen Elektrolyten unlöslich, was zu einem Verstopfen der Kathode führt.

Ein MnO
2
Die durch ein gentechnisch verändertes M13-Bakteriophagenvirus angereicherte Nanodraht-Array-Kathode bietet die zwei- bis dreifache Energiedichte von Lithium-Ionen-Batterien aus dem Jahr 2015. Das Virus vergrößerte das Nanodraht-Array mit einem Durchmesser von etwa 80 nm. Die resultierenden Drähte hatten eine mit Stacheln versehene Oberfläche. Spikes erzeugen mehr Oberfläche, um Reaktionsstellen zu beherbergen. Der virale Prozess erzeugt eine vernetzte 3D-Struktur anstelle von isolierten Drähten und stabilisiert die Elektrode. Der virale Prozess basiert auf Wasser und findet bei Raumtemperatur statt.

Elektrolyt

Die Bemühungen in Li-Luft-Batterien konzentrierten sich auf vier Elektrolyte: wässrige saure, wässrige alkalische, nichtwässrige protische und aprotische.

In einer Zelle mit einem wässrigen Elektrolyten kann die Reduktion an der Kathode auch Lithiumhydroxid erzeugen:

Wässrig

Eine wässrige Li-Luft-Batterie besteht aus einer Lithiummetallanode, einem wässrigen Elektrolyten und einer porösen Kohlenstoffkathode. Der wässrige Elektrolyt kombiniert in Wasser gelöste Lithiumsalze. Es vermeidet das Problem des Verstopfens der Kathode, da die Reaktionsprodukte wasserlöslich sind. Das wässrige Design hat ein höheres praktisches Entladungspotential als sein aprotisches Gegenstück. Lithiummetall reagiert jedoch heftig mit Wasser und daher erfordert das wässrige Design eine Festelektrolytgrenzfläche zwischen Lithium und Elektrolyt. Üblicherweise wird eine lithiumleitende Keramik oder ein lithiumleitendes Glas verwendet, aber die Leitfähigkeit ist im Allgemeinen gering (in der Größenordnung von 10 –3 S / cm bei Umgebungstemperaturen).

Schema eines gemischten Li-Luft-Batteriedesigns vom wässrig-aprotischen Typ

Saurer Elektrolyt

2Li + ½ O.
2
+ 2H + → 2Li + + H.
2
Ö

Eine konjugierte Base ist an der Reaktion beteiligt. Die theoretische maximale spezifische Energie und Energiedichte der Li-Luft-Zelle beträgt 1400 W · h / kg bzw. 1680 W · h / l.

Alkalischer wässriger Elektrolyt

2Li + ½ O.
2
+ H.
2
O
→ 2LiOH

Wassermoleküle sind an den Redoxreaktionen an der Luftkathode beteiligt. Die theoretische maximale spezifische Energie und Energiedichte der Li-Luft-Zelle beträgt 1300 W · h / kg bzw. 1520 W · h / l.

Neue Kathodenmaterialien müssen die Aufnahme erheblicher Mengen an LiO berücksichtigen
2
, Li
2
Ö
2
und / oder LiOH, ohne dass die Kathodenporen blockieren und geeignete Katalysatoren einsetzen, um die elektrochemischen Reaktionen energetisch praktisch zu machen.

  • Materialien mit zwei Porensystemen bieten die vielversprechendste Energiekapazität.
  • Das erste Porensystem dient als Oxidationsproduktspeicher.
  • Das zweite Porensystem dient als Sauerstofftransport.

Aprotisch

Schema des aprotischen Li-Luft-Batteriedesigns

Zunächst wurden nichtwässrige Li-Luft-Batterien demonstriert. Sie verwenden normalerweise gemischte Ethylencarbonat + Propylencarbonat- Lösungsmittel mit LiPF 6 - oder Li-Bis-Sulfonimid-Salzen wie herkömmliche Li-Ionen-Batterien, jedoch mit einem gelierten anstelle eines flüssigen Elektrolyten. Die Spannungsdifferenz beim Laden und Entladen mit konstantem Strom liegt normalerweise zwischen 1,3 und 1,8 V (mit einem OCP von ca. 4,2 V), selbst bei so lächerlich niedrigen Strömen wie 0,01–0,5 mA / cm² und 50–500 mA / g C am positive Elektrode (siehe Abbildung 2), jedoch verdampfen die Carbonatlösungsmittel und werden aufgrund einer hohen Überspannung beim Laden oxidiert. Andere Lösungsmittel wie endverkappte Glyme, DMSO, Dimethylacetamid und ionische Flüssigkeiten wurden in Betracht gezogen. Die Kohlenstoffkathode wird während des Ladens oberhalb von +3,5 V v Li oxidiert und bildet Li 2 CO 3 , was zu einem irreversiblen Kapazitätsverlust führt.

Die meisten Anstrengungen betrafen aprotische Materialien, die aus einer Lithiummetallanode, einem flüssigen organischen Elektrolyten und einer porösen Kohlenstoffkathode bestehen. Der Elektrolyt kann aus jeder organischen Flüssigkeit hergestellt werden, die Lithiumsalze wie LiPF solvatisieren kann
6
, LiAsF
6
, LiN (SO
2
CF.
3
)
2
und LiSO
3
CF.
3
), bestand aber typischerweise aus Carbonaten , Ethern und Estern . Die Kohlenstoffkathode besteht üblicherweise aus einem Kohlenstoffmaterial mit großer Oberfläche mit einem nanostrukturierten Metalloxidkatalysator (üblicherweise MnO)
2
oder Mn
3
Ö
4
). Ein Hauptvorteil ist die spontane Bildung einer Barriere zwischen Anode und Elektrolyt (analog zu der Barriere zwischen Elektrolyt und Kohlenstoff-Lithium-Anoden in herkömmlichen Li-Ionen-Batterien), die das Lithiummetall vor weiteren Reaktionen mit dem Elektrolyten schützt. Obwohl wiederaufladbar, ist der Li
2
Ö
2
Das an der Kathode erzeugte Material ist im Allgemeinen im organischen Elektrolyten unlöslich, was zu einem Aufbau entlang der Grenzfläche zwischen Kathode und Elektrolyt führt. Dies macht Kathoden in aprotischen Batterien anfällig für Verstopfung und Volumenexpansion, was die Leitfähigkeit zunehmend verringert und die Batterieleistung verschlechtert. Ein weiteres Problem ist, dass organische Elektrolyte entflammbar sind und sich entzünden können, wenn die Zelle beschädigt wird.

Obwohl die meisten Studien übereinstimmen, dass Li
2
Ö
2
ist das endgültige Entladungsprodukt von nichtwässrigen Li-O 2 -Batterien, ein deutlicher Beweis dafür, dass seine Bildung nicht als direkte 2-Elektronen-Elektroreduktion zu Peroxid O abläuft 2−
2
(Dies ist der übliche Weg für die O 2 -Reduktion von Wasser auf Kohlenstoff), sondern über eine Einelektronenreduktion zu Superoxid O. -
2
, gefolgt von seiner Disproportionierung:

2 LiO
2
Li
2
Ö
2
+ O.
2

 

 

 

 

( 1 )

Superoxid (O. -
2
) wurde aufgrund seiner hohen Nucleophilie , Basizität und seines Redoxpotentials traditionell als gefährliches Zwischenprodukt in aprotischen Sauerstoffbatterien angesehen. Berichte legen jedoch nahe, dass LiO 2 sowohl ein Zwischenprodukt während der Entladung zu Peroxid ( Li) ist
2
Ö
2
) und kann als endgültiges Entladungsprodukt verwendet werden, möglicherweise mit einer verbesserten Lebensdauer, wenn auch mit einer geringeren spezifischen Energie (etwas schwereres Batteriegewicht). In der Tat wurde gezeigt, dass das Superoxid unter bestimmten Bedingungen bei Raumtemperatur im Maßstab von 20 bis 70 Stunden stabil sein kann. Ein irreversibler Kapazitätsverlust bei Disproportionierung von LiO 2 im geladenen Akku wurde nicht behoben .

Pt / C scheint der beste Elektrokatalysator für die O 2 -Entwicklung und Au / C für die O 2 -Reduktion zu sein, wenn Li
2
Ö
2
ist das Produkt. "Die Leistung von wiederaufladbaren Lithium-Luft-Batterien mit nichtwässrigen Elektrolyten wird jedoch durch die Reaktionen auf der Sauerstoffelektrode, insbesondere durch die O 2 -Entwicklung, begrenzt. Herkömmliche poröse Kohlenstoff-Luftelektroden können keine Kapazitäten von mAh / g und mAh / cm 2 bereitstellen und Entladeraten in den Größen, die für Batterien mit wirklich hoher Energiedichte für EV-Anwendungen erforderlich sind. " Die Kapazität (in mAh / cm 2 ) und die Lebensdauer nichtwässriger Li-O 2 -Batterien wird durch die Ablagerung unlöslicher und schlecht elektronisch leitender LiOx-Phasen beim Entladen begrenzt. ( Li
3
Ö
4
Es wird vorausgesagt, dass es eine bessere Li + -Leitfähigkeit als LiO 2 und Li hat
2
Ö
2
Phasen). Dies macht die praktische spezifische Energie von Li-O 2 -Batterien erheblich kleiner als die Berechnung des Reagenzienstands vorhersagt. Es scheint, dass diese Parameter an ihre Grenzen gestoßen sind, und eine weitere Verbesserung wird nur von alternativen Methoden erwartet.

Schema des wässrigen Li-Luft-Batteriedesigns

Gemischt wässrig-aprotisch

Das wässrig-aprotische oder gemischte Li-Luft-Batteriedesign versucht, die Vorteile des aprotischen und des wässrigen Batteriedesigns zu vereinen. Das gemeinsame Merkmal von Hybridkonstruktionen ist ein zweiteiliger (ein Teil wässriger und ein Teil aprotischer) Elektrolyt, der durch eine lithiumleitende Membran verbunden ist . Die Anode liegt an der aprotischen Seite an, während die Kathode mit der wässrigen Seite in Kontakt steht. Eine lithiumleitende Keramik wird typischerweise als Membran verwendet, die die beiden Elektrolyte verbindet.

Die Verwendung eines Festelektrolyten (siehe Fig. 3) ist ein solcher alternativer Ansatz, der eine Kombination einer Lithiummetallanode mit einer wässrigen Kathode ermöglicht. Keramische Festelektrolyte (CSEs) der NASICON-Familie (z. B. Li 1 - x A x M 2 - x (PO 4 ) 3 mit A ∈ [Al, Sc, Y] und M ∈ [Ti, Ge]) wurden untersucht . Sie sind mit Wasser bei alkalischem pH-Wert kompatibel und haben ein großes elektrochemisches Fenster (siehe Abb. 3,4). Aufgrund ihrer geringen Li + -Ionenleitfähigkeit nahe Raumtemperatur (<0,005 S / cm,> 85 Ω cm 2 ) sind sie für Kraftfahrzeuge und stationäre Energie ungeeignet Speicheranwendungen, die niedrige Kosten erfordern (dh Betriebsstromdichten über 100 mA / cm 2 ). Ferner werden sowohl Ti als auch Ge durch metallisches Li reduziert, und eine Zwischenschicht zwischen der Keramikelektrode und der negativen Elektrode ist erforderlich. Im Gegensatz dazu können feste Polymerelektrolyte (SPEs) eine höhere Leitfähigkeit auf Kosten einer schnelleren Überkreuzung von Wasser und anderen kleinen Molekülen bereitstellen, die gegenüber metallischem Li reaktiv sind. Zu den exotischeren Membranen, die für Li-O 2 -Batterien in Betracht gezogen werden, gehört einkristallines Silizium.

2015 kündigten Forscher ein Design an, bei dem hochporöses Graphen für die Anode verwendet wurde, ein Elektrolyt aus Lithiumbis (trifluormethyl) sulfonylimid / Dimethoxyethan mit zugesetztem Wasser und Lithiumiodid zur Verwendung als "Mediator". Der Elektrolyt erzeugt an der Kathode Lithiumhydroxid (LiOH) anstelle von Lithiumperoxid ( Li
2
Ö
2
). Das Ergebnis bot eine Energieeffizienz von 93 Prozent (Spannungslücke von 0,2) und wurde mehr als 2.000 Mal mit geringem Einfluss auf die Leistung gefahren. Das Design erforderte jedoch reinen Sauerstoff anstelle von Umgebungsluft.

Schema des Li-Air-Batteriedesigns vom Festkörpertyp

Fester Zustand

Ein Festkörperbatteriedesign ist für seine Sicherheit attraktiv und verhindert, dass die Zündung reißt. Gegenwärtige Festkörper-Li-Luft-Batterien verwenden eine Lithiumanode, einen Keramik-, Glas- oder Glaskeramik-Elektrolyten und eine poröse Kohlenstoffkathode. Anode und Kathode sind typischerweise durch Polymer-Keramik-Verbundwerkstoffe vom Elektrolyten getrennt, die den Ladungstransfer an der Anode verbessern und die Kathode elektrochemisch an den Elektrolyten koppeln. Die Polymer-Keramik-Verbundwerkstoffe reduzieren die Gesamtimpedanz. Der Hauptnachteil des Festkörperbatteriedesigns ist die geringe Leitfähigkeit der meisten glaskeramischen Elektrolyte. Die Ionenleitfähigkeit aktueller lithiumschneller Ionenleiter ist geringer als bei Alternativen mit flüssigem Elektrolyt.

Herausforderungen

Ab 2013 standen Designer vor vielen Herausforderungen.

Kathode

Die meisten Grenzwerte für Li-Luft-Batterien liegen an der Kathode, die auch die Quelle ihrer potenziellen Vorteile ist. Eine unvollständige Entladung aufgrund einer Verstopfung der porösen Kohlenstoffkathode mit Entladungsprodukten wie Lithiumperoxid (in aprotischen Konstruktionen) ist am schwerwiegendsten. Es wurden verschiedene Arten von Niederschlägen modelliert. Ein Parameter, Da, wurde definiert, um die Variationen von Temperatur, Spezieskonzentration und Potentialen zu messen.

Die Auswirkungen der Porengröße und der Porengrößenverteilung sind nach wie vor wenig bekannt.

Katalysatoren haben sich als vielversprechend erwiesen, um eine bevorzugte Keimbildung von Li zu erzeugen
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Ö
2
über Li
2
O
, das in Bezug auf Lithium irreversibel ist.

An der Kathode muss Luftsauerstoff vorhanden sein, der jedoch durch Verunreinigungen wie Wasserdampf beschädigt werden kann.

Elektrochemie

Bei Zelldesigns 2017 ist das Ladungsüberpotential viel höher als das Entladungsüberpotential. Ein signifikantes Ladungsüberpotential zeigt das Vorhandensein von Nebenreaktionen an. Somit liegt der elektrische Wirkungsgrad nur bei 65%.

Katalysatoren wie MnO
2
, Co, Pt und Au können möglicherweise die Überpotentiale verringern , aber der Effekt ist kaum bekannt. Mehrere Katalysatoren verbessern die Kathodenleistung, insbesondere MnO
2
und der Mechanismus der Verbesserung ist als Oberflächensauerstoff-Redox bekannt, das reichlich anfängliche Wachstumsstellen für Lithiumperoxid bereitstellt. Es wird auch berichtet, dass Katalysatoren die Struktur von Oxidablagerungen verändern können.

Ein weiteres Problem sind signifikante Einbußen der Zellkapazität mit steigenden Entladungsraten. Die Abnahme der Zellkapazität wird auf kinetische Ladungsübertragungsgrenzen zurückgeführt. Da die anodische Reaktion sehr schnell abläuft, wird angenommen, dass die Ladungsübertragungsgrenzen an der Kathode auftreten.

Stabilität

Ein langfristiger Batteriebetrieb erfordert die chemische Stabilität aller Zellkomponenten. Aktuelle Zelldesigns zeigen eine geringe Oxidationsbeständigkeit durch Reaktionsprodukte und Zwischenprodukte. Viele wässrige Elektrolyte sind flüchtig und können mit der Zeit verdampfen. Die Stabilität wird im Allgemeinen durch parasitäre chemische Reaktionen beeinträchtigt, beispielsweise solche, an denen reaktiver Sauerstoff beteiligt ist .

Anwendungen

Fahrzeuge

Li-Luft-Zellen sind wegen ihrer hohen theoretischen spezifischen und volumetrischen Energiedichte, die mit Benzin vergleichbar ist, für Elektrofahrzeuge von Interesse . Elektromotoren bieten einen hohen Wirkungsgrad (95% gegenüber 35% bei einem Verbrennungsmotor ). Li-Air-Zellen könnten eine Reichweite bieten, die den heutigen Fahrzeugen mit einem Batteriepack entspricht, das ein Drittel der Größe von Standard-Kraftstofftanks beträgt, vorausgesetzt, das zur Wartung der Batterie erforderliche Anlagengleichgewicht weist eine vernachlässigbare Masse oder ein vernachlässigbares Volumen auf.

Grid-Backup

2014 kündigten Forscher eine hybride Solarzellenbatterie an. Bis zu 20% der von herkömmlichen Solarzellen erzeugten Energie gehen verloren, wenn sie zu einer Batterie transportiert und diese auflädt. Der Hybrid speichert fast 100% der erzeugten Energie. Eine Version des Hybrids verwendete eine Kaliumionenbatterie mit Kalium-Luft. Es bot eine höhere Energiedichte als herkömmliche Li-Ionen-Batterien, kostete weniger und vermied toxische Nebenprodukte. Das neueste Gerät ersetzte im Wesentlichen Kalium durch Lithium.

Die Solarzelle verwendete ein Netz aus mikroskopisch kleinen Titandioxidstäben , um den benötigten Sauerstoff durchzulassen. Das eingefangene Sonnenlicht erzeugte Elektronen, die Lithiumperoxid in Lithiumionen zerlegen und dadurch die Batterie aufladen. Während der Entladung füllte Luftsauerstoff das Lithiumperoxid wieder auf.

Siehe auch

Verweise

Externe Links