Superoxid ergibt Lithium
DOE/Argonne National Laboratory
Bild: Die Gitterübereinstimmung zwischen LiO2 und Ir3Li könnte für das LiO2-Entladungsprodukt verantwortlich sein, das für das Ir-rGO-Kathodenmaterial gefunden wurde.mehr sehen
Bildnachweis: Argonne/Larry Curtiss
Während Lithium-Ionen-Batterien unseren Alltag verändert haben, versuchen Forscher derzeit, neue Chemikalien zu finden, die noch bessere Energiemöglichkeiten bieten könnten. Eine dieser Chemikalien, Lithium-Luft, könnte eine höhere Energiedichte versprechen, hat aber auch gewisse Nachteile.
Dank der Forschung am Argonne National Laboratory des US-Energieministeriums (DOE) konnte nun einer dieser Nachteile möglicherweise überwunden werden.
Alle bisherigen Arbeiten zu Lithium-Luft-Batterien zeigten das gleiche Phänomen: die Bildung von Lithiumperoxid (Li2O2), einem festen Niederschlag, der die Poren der Elektrode verstopft.
In einem kürzlich durchgeführten Experiment gelang es den Argonne-Batteriewissenschaftlern Jun Lu, Larry Curtiss und Khalil Amine zusammen mit amerikanischen und koreanischen Mitarbeitern jedoch, während der Batterieentladung stabiles kristallisiertes Lithiumsuperoxid ((LiO2)) anstelle von Lithiumperoxid herzustellen. Im Gegensatz zu Lithiumperoxid Lithiumsuperoxid kann leicht in Lithium und Sauerstoff zerfallen, was zu einem hohen Wirkungsgrad und einer guten Zyklenlebensdauer führt.
„Diese Entdeckung eröffnet wirklich einen Weg für die mögliche Entwicklung eines neuen Batterietyps“, sagte Curtiss. „Obwohl noch viel mehr Forschung erforderlich ist, ist die Zyklenlebensdauer der Batterie genau das, wonach wir gesucht haben.“
Der Hauptvorteil einer auf Lithiumsuperoxid basierenden Batterie besteht laut Curtiss und Amine darin, dass sie zumindest theoretisch die Schaffung einer Lithium-Luft-Batterie ermöglicht, die aus dem besteht, was Chemiker ein „geschlossenes System“ nennen. Offene Systeme erfordern die kontinuierliche Aufnahme von zusätzlichem Sauerstoff aus der Umgebung, geschlossene Systeme hingegen nicht – was sie sicherer und effizienter macht.
„Die Stabilisierung der Superoxidphase könnte zur Entwicklung eines neuen geschlossenen Batteriesystems auf Basis von Lithiumsuperoxid führen, das das Potenzial hat, tatsächlich die fünffache Energiedichte von Lithiumionen zu bieten“, sagte Amine.
Curtiss und Lu führten das Wachstum des Lithiumsuperoxids auf den Abstand der Iridiumatome in der im Experiment verwendeten Elektrode zurück. „Es sieht so aus, als würde Iridium als gute Vorlage für das Wachstum von Superoxid dienen“, sagte Curtiss.
„Dies ist jedoch nur ein Zwischenschritt“, fügte Lu hinzu. „Wir müssen lernen, Katalysatoren zu entwerfen, um genau zu verstehen, worum es bei Lithium-Luft-Batterien geht.“
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Die Forscher bestätigten den Mangel an Lithiumperoxid mithilfe von Röntgenbeugung, die von der Advanced Photon Source, einer Benutzereinrichtung des DOE Office of Science in Argonne, bereitgestellt wurde. Sie erhielten auch Zeitkontingente auf dem Mira-Supercomputer in der Argonne Leadership Computing Facility, die auch eine Benutzereinrichtung des DOE Office of Science ist. Die Forscher führten einen Teil der Arbeit auch im Center for Nanoscale Materials von Argonne durch, das auch eine Benutzereinrichtung des DOE Office of Science ist.
Eine auf der Forschung basierende Studie erschien in der Nature-Ausgabe vom 11. Januar.
Die Arbeit wurde vom Office of Energy Efficiency and Renewable Energy und Office of Science des DOE finanziert.
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