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Unraveling the chemistry of the lithium-air battery by novel solid state NMR techniques

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Auf dem Weg zu luftbetriebenen Elektrofahrzeugen

Lithium-Luft-Batterien haben eine sehr hohe Energiedichte pro Volumeneinheit, vergleichbar mit der von Benzin. Mithilfe der erweiterten Spektroskopie haben Wissenschaftler Batteriereaktionen und Arten identifiziert, die die Effizienz zu verringern und damit den Weg zur Optimierung ebnen.

Energie

Das aktive Kathodenmaterial, Sauerstoff, ist außerhalb der Batterie, um das Batterievolumen deutlich zu reduzieren. Dies führt zu einer hohen spezifischen Energie und einem aussichtsreichen Kandidaten, um die Forderung nach größeren Entfernungen für Elektrofahrzeuge zu erfüllen. Doch die Technologie erfordert bedeutende Entwicklungen, damit sie kommerzialisiert werden kann. Ineffiziente Zyklus- und Spannungslücken zwischen Ladung und Entladung gehören zu den zentralen Themen. Wissenschaftler initiierten das EU-finanzierte Projekt "Unraveling the chemistry of the lithium-air battery by novel solid state NMR techniques" (LANMR) , um die elektrochemischen Reaktionen und Materialien für die Optimierung zu untersuchen. Die Forscher konzentrierten sich auf Elektrolyt und Kathodenmaterialien. Die Oxidation von Lithium an der Anode und die Reduktion von Sauerstoff aus der Umgebungsluft an der Kathode erzeugen einen Stromfluss. Jedoch resultiert die reversible Reaktion zwischen Lithium und Sauerstoff zu Lithiumperoxid in hochreaktive Zwischen-Superoxidspezies und Lithiumperoxid selbst ist stark oxidierend. Alle diese reaktiven Spezies initiieren Nebenreaktionen, die die Effizienz vermindern, so dass die praktische Energiedichte die theoretisch vorhergesagten Werten nicht erreicht. Die Wissenschaftler von LANMR entwickelten eine auf Festkörper-Kernspinresonanz (Festkörper-NMR) basierende Methode mit ausgezeichneter chemischer Spezifität. Damit zeigten sie, dass die Zykluseffizienz und Lebensdauer des Lithium-Luft-Batterie-Systems entscheidend von Elektrolyt- und Elektrodenstabilität abhängen. Auch bei relativ stabilen Elektrolyten erhöht die Bildung von kleinen Mengen an Nebenprodukten einen Parameter, der auf komplizierte Weise mit der Zelleffizienz (Ladeüberpotential) verwandt ist. Dies erhöht die Nebenreaktionen weiter und der Ladungsaufbau verringert die Stabilität der Kohlenstoffelektrode. Studien legen nahe, dass die Zugabe von katalytischen Spezies, um die Aufladung zu verhindern, mit Vorsicht gemacht werden sollte, um unerwünschte Reaktionen nicht zu erhöhen. Im Gegensatz zu anderen Tools, hat die Festkörper-NMR-basierte Methodik des Projekts den Forschern ein klares Bild von den Faktoren gegeben, die die Effizienz beeinflussen. Das Team hat gezeigt, dass ssNMR ein leistungsfähiges und flexibles analytisches Werkzeug für die Untersuchung der elektrochemischen Reaktionen in der Brennstoffzelle ist. Der Ansatz soll für die Entwicklung der vielversprechenden Lithium-Luft-Batterie und ihre Vermarktung wesentlich sein. Mit ihm wird die Marktdurchdringung von Elektrofahrzeugen für einen umweltfreundlichen Straßenverkehr kommen und die Auswirkungen auf das globale Klima werden minimiert.

Schlüsselbegriffe

Elektrofahrzeuge, Lithium-Luft-Batterien, Energiedichte, Festkörper, Lithium, Superoxid-Spezies

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