Neues Design für Lithium
Neue Batterien könnten eines Tages Autos, Flugzeuge und Lastwagen antreiben
DOE/Argonne National Laboratory
Bild: Schematische Darstellung einer Lithium-Luft-Batteriezelle bestehend aus einer Lithium-Metallanode, einer luftbasierten Kathode und einem festen Keramik-Polymer-Elektrolyten (CPE). Beim Entladen und Laden wandern Lithiumionen (Li+) von der Anode zur Kathode und dann zurück.mehr sehen
Bildnachweis: (Bild von Argonne National Laboratory.)
Viele Besitzer von Elektroautos haben sich einen Akku gewünscht, der ihr Fahrzeug mit einer einzigen Ladung mehr als 1.000 Kilometer 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 inländische Flugzeuge und Langstrecken-Lkw antreiben.
Die wichtigste neue Komponente dieser Lithium-Luft-Batterie ist ein Festelektrolyt anstelle der üblichen flüssigen Variante. Bei Batterien mit Festelektrolyten besteht nicht das Sicherheitsproblem der in Lithium-Ionen- und anderen Batterietypen verwendeten flüssigen Elektrolyte, 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 die Lithium-Ionen-Batterie hinaus in Betracht gezogen werden.“ — Larry Curtiss, Argonne Distinguished Fellow
Noch wichtiger ist das des TeamsDie Batteriechemie mit dem Festelektrolyten kann die Energiedichte potenziell um das Vierfache gegenüber Lithium-Ionen-Batterien steigern, was sich in einer größeren Reichweite niederschlägt.
„Seit über einem Jahrzehnt arbeiten Wissenschaftler in Argonne und anderswo Überstunden, 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 die Lithium-Ionen-Batterie hinaus in Betracht gezogen werden.“
Bei früheren Lithium-Luft-Designs bewegt sich das Lithium in einer Lithiummetallanode durch einen flüssigen Elektrolyten, um sich während der Entladung mit Sauerstoff zu verbinden, wodurch an der Kathode Lithiumperoxid (Li2O2) oder Superoxid (LiO2) entsteht. Beim Laden wird das Lithiumperoxid bzw. Superoxid dann wieder in seine Lithium- und Sauerstoffbestandteile zerlegt. Diese chemische Abfolge speichert Energie und gibt sie bei Bedarf wieder frei.
Der neue Festelektrolyt des Teams besteht aus einem keramischen Polymermaterial, das aus relativ kostengünstigen Elementen in Nanopartikelform besteht. Dieser neue Feststoff ermöglicht chemische Reaktionen, die bei der Entladung 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. Durch die Möglichkeit, mit Luft zu arbeiten, sind keine Sauerstofftanks erforderlich, was bei früheren Konstruktionen ein Problem darstellte.
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 Center for Nanoscale Materials von Argonne, 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 einer sehr kurzen Zyklenlebensdauer. Das Team stellte fest, dass dieser Mangel bei seinem neuen Batteriedesign nicht der Fall ist, indem es eine Testzelle für 1000 Zyklen baute und betrieb und so deren Stabilität bei wiederholtem Laden und Entladen demonstrierte.
„Mit der Weiterentwicklung gehen wir davon aus, dass auch unser neues Design für die Lithium-Luft-Batterie eine Rekordenergiedichte von 1200 Wattstunden pro Kilogramm erreichen wird“, sagte Curtiss. „Das ist fast viermal besser als bei Lithium-Ionen-Batterien.“
Diese Forschung wurde in einer aktuellen 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 Ngo.
Die Forschung wurde vom DOE Vehicle Technologies Office und dem Office of Basic Energy Sciences über das Joint Center for Energy Storage Research finanziert.
Über Argonnes Zentrum für nanoskalige Materialien Das Center for Nanoscale Materials ist eines der fünf DOE Nanoscale Science Research Centers, führende nationale Nutzereinrichtungen für interdisziplinäre Forschung im Nanobereich, die vom DOE Office of Science unterstützt werden. Zusammen umfassen die NSRCs eine Reihe sich ergänzender Einrichtungen, die Forschern modernste Fähigkeiten zur Herstellung, Verarbeitung, Charakterisierung und Modellierung nanoskaliger Materialien bieten und die größte Infrastrukturinvestition der National Nanotechnology Initiative darstellen. Die NSRCs befinden sich in den Nationallaboratorien Argonne, Brookhaven, Lawrence Berkeley, Oak Ridge, Sandia und Los Alamos des DOE. Weitere Informationen zu den DOE NSRCs finden Sie unter https://science.osti.gov/User-Facilit ies/User-Facilities-at-a- Blick.
Das Gemeinsame Zentrum für Energiespeicherforschung (JCESR) , ein DOE Energy Innovation Hub, ist eine wichtige Partnerschaft, die Forscher aus vielen Disziplinen zusammenbringt, um kritische wissenschaftliche und technische Hindernisse zu überwinden und neue bahnbrechende Energiespeichertechnologien zu entwickeln. Unter der Leitung des Argonne National Laboratory des US-Energieministeriums gehören zu den Partnern nationale Führungskräfte aus Wissenschaft und Technik aus der Wissenschaft, dem privaten Sektor und nationalen Labors. Ihr kombiniertes Fachwissen erstreckt sich über das gesamte Spektrum der Technologieentwicklungspipeline von der Grundlagenforschung über die Prototypenentwicklung und die Produktentwicklung bis hin zur Markteinführung.
Argonne National Laboratory sucht nach Lösungen für drängende nationale Probleme in Wissenschaft und Technik. Als erstes nationales Labor des Landes betreibt Argonne Spitzenforschung in Grundlagenforschung und angewandter Wissenschaft in praktisch allen wissenschaftlichen Disziplinen. Argonne-Forscher arbeiten eng mit Forschern von Hunderten von Unternehmen, Universitäten sowie Bundes-, Landes- und Kommunalbehörden zusammen, um ihnen bei der Lösung ihrer spezifischen Probleme zu helfen, Amerikas wissenschaftliche Führung voranzutreiben und das Land auf eine bessere Zukunft vorzubereiten. Mit Mitarbeitern aus mehr als 60 Nationen wird Argonne von UChicago Argonne, LLC für das Office of Science des US-Energieministeriums verwaltet.
Das Office of Science des US-Energieministeriums ist der größte Einzelförderer der Grundlagenforschung in den Naturwissenschaften in den Vereinigten Staaten und arbeitet an der Bewältigung einiger der dringendsten Herausforderungen unserer Zeit. Weitere Informationen finden Sie unter https://energy.gov/science.
TAGS: Batterien und Brennstoffzellen">Batterien und Brennstoffzellen, Wissenschaftliche Nutzereinrichtungen
Wissenschaft
10.1126/science.abq1347
Eine bei Raumtemperatur wiederaufladbare Lithium-Luft-Batterie auf Li2O-Basis, die durch einen Festelektrolyten aktiviert wird
2. Februar 2023
Haftungsausschluss: AAAS und EurekAlert! sind nicht verantwortlich für die Richtigkeit der auf EurekAlert veröffentlichten Pressemitteilungen! durch beitragende Institutionen oder für die Nutzung jeglicher Informationen über das EurekAlert-System.
Bild: Schematische Darstellung einer Lithium-Luft-Batteriezelle bestehend aus einer Lithium-Metallanode, einer luftbasierten Kathode und einem festen Keramik-Polymer-Elektrolyten (CPE). Beim Entladen und Laden wandern Lithiumionen (Li+) von der Anode zur Kathode und dann zurück.Über Argonnes Zentrum für nanoskalige MaterialienDas Gemeinsame Zentrum für Energiespeicherforschung (JCESR)Argonne National LaboratoryDas Office of Science des US-EnergieministeriumsHaftungsausschluss: