بطارية ليثيوم الهواء الجديدة تنجو من مئات دورات

بطارية ليثيوم-هواء جديدة تنجو من مئات الدوراتEnlargeTSA

تزود البطاريات الإلكترونات بالمرور عبر مادة كيميائية قابلة للعكس تفاعلات. وهذا يعني أن جميع المواد المتفاعلة يجب أن تكون في الداخل البطارية ، مما يزيد من وزنه وحجمه. بطارية ليثيوم الهواء البطاريات يمكن أن يغير هذا الوضع. في واحد القطب ، لديهم معدن الليثيوم النقي بدلا من أ مادة كيميائية تحتوي على الليثيوم. في الجانب الآخر ، الليثيوم يتفاعل مع الأكسجين في الهواء. عند شحن البطارية ، يكون رد الفعل هذا عكس ، ويتم إرجاع الأكسجين إلى الغلاف الجوي لدينا.

مع وجود عدد أقل بكثير من المواد الكيميائية داخل البطارية ، ممكن لتحقيق كثافة طاقة أعلى بكثير – كان هناك مظاهرات من بطاريات الليثيوم الهواء مع كثافة الطاقة خمسة أضعاف تكنولوجيا الليثيوم أيون الحالية. العيب الوحيد؟ هم لديك عمر حوالي شهر ، جزئيا بسبب كل من الأكسجين و الليثيوم المعدني تفاعلي للغاية ويعود ذلك جزئياً إلى عروض الهواء الكثير من الأشياء بخلاف الأكسجين التي يمكن أن تتفاعل.

الآن ، اكتشف فريق من الباحثين وسيلة للحماية ضد العديد من ردود الفعل هذه وأظهرت أن النتيجة البطارية يمكن البقاء على قيد الحياة مئات دورات الشحن / التفريغ في الجو مثل الهواء. مما يعني أن الباحثين جاهزون لمعرفة ما يحدث عندما تلتقي هذه المواد بالهواء الفعلي. الأمل هو أنه سيكون من الأسهل حلها.

ردود الفعل الجانبية

تم إنجاز العمل من خلال تعاون مقره الولايات المتحدة بين الأكاديميين ومختبر أرجون الوطني كان التركيز على حجب ما يسمى ردود الفعل الجانبية ، أو التفاعلات الكيميائية التي لا تسهم في أداء البطارية و / أو تدمير بعض مكوناته. هذه يمكن أن تؤثر على الأقطاب الكهربائية ، الليثيوم الذي يحمل شحنة ، والكهارل الذي يسمح الليثيوم بالعبور بين الأقطاب الكهربائية. تعقيد الأمور أكثر ، والهواء يحتوي على مجموعة متنوعة من المواد الكيميائية – النيتروجين ، الأكسجين ، الماء ، وأكثر من ذلك – يمكن أن يحتمل المشاركة في هذه التفاعلات الجانبية.

للحد منها ، استخدم الباحثون مجموعة من الكمبيوتر المحاكاة (باستخدام نظرية الكفاءة الوظيفية) وبناء الفعلي المعدات. لتبسيط الأمور ، قاموا باختبار الأجهزة تحت جو يشبه الهواء ، مع نسب واقعية من الأكسجين ، النيتروجين وثاني أكسيد الكربون والماء ، ولكن دون أي مزيد المضاعفات المحتملة.

وكان تصميم البطارية التي استخدموها أنود الليثيوم المعادن. إلى حماية ذلك ، قام الباحثون المغلفة مع كربونات الليثيوم ، الذي كان من السهل للغاية القيام به: لقد ركضوا ببساطة قليلة دورات الشحن / التفريغ في جو ثاني أكسيد الكربون النقي. شكلت هذه شبكة كثيفة من البلورات على سطح الليثيوم ، وأظهرت عمليات المحاكاة أن هذه البلورات كانت كافية ل منع عبور الأكسجين وثاني أكسيد الكربون والنيتروجين. الحصول على هذه الجزيئات عبر هذا الحاجز مكلفة للطاقة ، والتي يضمن عدم حدوث ردود فعل في الأنود. ردود الفعل مع المياه هي أيضا غير مواتية بقوة. نتيجة لذلك ، ركوب الدراجات البطارية من خلال دورة الشحن / التفريغ عادت 99.97 في المئة من الليثيوم إلى الأنود ، حيث بدأت.

بالنسبة للكهارل ، استخدم الباحثون خليطًا من المواد العضوية المواد الكيميائية التي تم إظهارها في العمل السابق (1-إيثيل 3-ميثيل ميثيدازوليوم رباعي فلوروبات مختلطة مع ثنائي ميثيل سلفوكسيد). تحول هذا إلى تقديم مساهمة كبيرة ل استقرار البطارية من خلال تشتيت أي جزيئات الغاز أو الماء التي انتهى المنحل في ذلك. معظم ردود الفعل مع البطارية المكونات المطلوبة اثنين أو أكثر من جزيئات الماء أو الكربون ثاني أكسيد ، ولكن المحاكاة أشارت إلى أن المنحل بالكهرباء مضمون أن جزيئات واحدة فقط كانت متاحة عادة في أي السطوح.

في انتظار الهواء

وأخيراً ، قام الباحثون بصنع الكاثود من الموليبدينوم ثاني كبريتيد. هذه المواد تشكل سطح متوافق مع نتاج تفاعل الأكسجين الليثيوم ، Li2O2 ، مما يسمح لها بتكوين طبقة رقيقة الكاثود. هذا الفيلم خامل في وجود الماء والكربون ثاني أكسيد ، ومنع ردود الفعل غير المرغوب فيها. حتى عندما يكون هذا الفيلم فصل في المنحل بالكهرباء ، فإنه لا يتفاعل بكفاءة مع الماء فرقت هناك.

أظهرت البطارية الناتجة سلوكًا مستقرًا على مئات دورات — قام المؤلفون باختبار دورة واحدة إلى 700 دورة دون فشل ، على الرغم من أن الفجوة المحتملة زادت تدريجيا من 1.3V إلى 1.6V. وخلصوا إلى أن “أنود الليثيوم المحمي ، مزيج بالكهرباء ، والكاثود الهوائي العالي الأداء جميعها تعمل في تآزر لتوفير بطارية ليثيوم الأكسجين مع دورة حياة طويلة تحت الهواء المحاكاة الظروف.”

هذا الشيء الأخير – “ظروف الجو المحاكاة” – هو نوع من حرج. ليس هناك سبب لعدم وجود الباحثين أيضًا اختبرت هذه البطارية باستخدام الهواء الفعلي ولا سبب لن يفعلوا وقد أبلغت النتائج إذا كان قد أحسنت. عدم وجود هذه النتائج في ورقة تشير إلى أنه قد لا يكون أداء كذلك عندما قدمت مع الهواء الفعلي. ولكن هذا العمل قد حل بوضوح بعض من أكبر المشاكل وأكثرها وضوحا مع ليثيوم الهواء بطاريات. هناك فرصة جيدة أن أي القضايا المتبقية هي قاصر نسبيا.

Nature ، 2017. DOI: 10.1038 / nature25984 (حول DOIs).

Like this post? Please share to your friends:
Leave a Reply

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: