Lithium-Luft vs. Lithium-Ionen:Experteneinblicke und Leistungsvergleich

Billy Hurley, Digital Editorial Manager

„Unser Lithium-Luft-Batteriedesign stellt eine Revolution in der Batteriegemeinschaft dar“, sagte Amin Salehi-Khojin, Assistenzprofessor für Maschinenbau und Wirtschaftsingenieurwesen an der University of Illinois in Chicago.

Salehi-Khojin und Kollegen von der UIC und dem Argonne National Laboratory haben eine elektrochemische Zelle entwickelt, die in einer natürlichen Luftumgebung funktioniert und auch nach rekordverdächtigen 750 Lade-/Entladezyklen noch funktioniert.

Eine Lithium-Luft-Batterie kombiniert Sauerstoff aus der Luft mit dem in der Anode vorhandenen Lithium. Die Mischung erzeugt während der Entladephase Lithiumperoxid – und in der Ladephase einen Abbau von Lithium- und Sauerstoffbestandteilen.

Die experimentelle Lithium-Luft-Batterie. (Foto:Amin Salehi-Khojin.)

Es wird angenommen, dass Lithium-Luft-Batterien bis zu fünfmal mehr Energie speichern können als die gleichen Lithium-Ionen-Batterien, die heutige Telefone, Laptops und Elektrofahrzeuge antreiben.

Frühe „Lithium-Luft“-Ideen scheiterten jedoch häufig.

Wenn sich Lithiumionen mit Kohlendioxid und Wasserdampf in der Luft verbinden, entstehen häufig Nebenprodukte, die die Kathode verkleben.

Um Ablagerungen zu verhindern und den Betrieb der Batterie in einer Umgebung mit natürlicher Luft zu ermöglichen, haben die Forscher von UIC und Argonne die Lithiumanode mit einer dünnen Schicht Lithiumcarbonat beschichtet. Die Beschichtung ermöglicht selektiv, dass Lithiumionen aus der Anode in den Elektrolyten gelangen – und verhindert gleichzeitig, dass unerwünschte Verbindungen die Anode erreichen.

Bei experimentellen Designs von Lithium-Luft-Batterien gelangt Sauerstoff über eine kohlenstoffbasierte schwammartige Gitterstruktur in den Elektrolyten.

Salehi-Khojin und seine Kollegen beschichteten die Gitterstruktur mit einem Molybdändisulfat-Katalysator. Der einzigartige Hybridelektrolyt – bestehend aus ionischer Flüssigkeit und Dimethylsulfoxid, einem häufigen Bestandteil von Batterieelektrolyten – trug dazu bei, Lithium-Sauerstoff-Reaktionen zu erleichtern, Lithium-Reaktionen mit anderen Elementen in der Luft zu minimieren und die Effizienz der Batterie zu steigern.

Unsere Leser hatten jedoch Fragen. Was passiert, wenn die Batterie überhitzt ist? Kann die Batterie explodieren? Gibt es Sicherheitsbedenken? Wie schlägt sich eine Lithium-Luft-Batterie im Vergleich zu einer Lithium-Ionen-Batterie? Larry Curtiss, Argonne Distinguished Fellow und Co-Hauptautor der Studie, nahm sich die Zeit, unserem Publikum Antworten zu geben. Siehe die Antworten unten.

Wie hoch ist die Laderate?

Curtiss: Die Ladegeschwindigkeit wäre zu diesem Zeitpunkt ähnlich wie bei einem Li-Ionen-Akku. Sie könnte durch weitere Forschung erhöht werden.

Wie übertrifft Ihr neues Design Li-Ionen-Batterien?

Durch die Nutzung chemischer Bindungen zwischen Li und Sauerstoff können die Batterien viel mehr Energie speichern, da die Bindungen dichter sind als die Interkalationswechselwirkungen zwischen Li und den in Li-Ionen-Batterien verwendeten Metalloxidschichten.

Wie groß ist die Gefahr einer Entflammbarkeit oder Explosion (bei Durchstich, Überhitzung, Überladung usw.)?

Curtiss: Eine Komponente der von uns veröffentlichten Li-Luft-Batterie ist die Lithiumanode. Es ist bekannt, dass es zu einer Explosion kommen könnte. Viele Wissenschaftler beschäftigen sich mit dem Problem der Sicherheit der Lithiumanode und werden wahrscheinlich große Anstrengungen unternehmen, um sie sicher zu machen. Es ist jedoch erwähnenswert, dass wir die Oberfläche der Li-Anode mit einem elektrisch isolierenden, aber ionisch leitenden Material geschützt haben, um eine Explosion aufgrund eines Batteriekurzschlusses zwischen Anode und Kathode zu verhindern. Dies verhindert auch eine Überhitzung des Akkus.

Welche Fehlermodi sind zu erwarten?

Curtiss: Dies wird während der Skalierung untersucht.

Irgendwelche weiteren Sicherheitsbedenken? Die Energiedichte von Standard-Li-Ion-Akkus entspricht der von TNT. Ihre Batterien haben die 5-fache Energiedichte. Obwohl sie theoretisch die unerwünschten Reaktionen dieser dünnen Beschichtungen begrenzen, gibt es noch andere potenzielle Schadstoffe in der Luft (CO2, N2 usw.). Könnten einige davon korrosiv werden und die Schichten zerstören? Könnte es zu internen Kurzschlüssen kommen, die eine einzelne Zelle umkehren und zu einem Brand führen?

Curtiss: Die Batterie wurde nur im Labormaßstab entwickelt und zeigte bei den Tests keine dieser Sicherheitsprobleme. Der nächste Schritt bestünde darin, diese kleinen Zellen zu Batteriepacks zu skalieren, sie zu testen und die Sicherheitsprobleme herauszufinden und diese zu beheben. Wir glauben jedoch, dass die Überhitzung aufgrund der Zellumkehr aufgrund der robusten Schutzschicht der Li-Anodenoberfläche in unserem System nicht auftreten würde.

Was denken Sie? Haben Sie weitere Fragen zu Lithium-Luft-Batterien? Teilen Sie sie unten.

Eine schematische Zeichnung der Lithium-Luft-Batterie. (Quelle:UIC und Argonne National Laboratories.)