Le celle a combustibile al litio-ossigeno vantano livelli di densità energetica paragonabili ai combustibili fossili e sono quindi viste come un candidato promettente per le future esigenze energetiche legate ai trasporti.

Diversi ostacoli si frappongono alla realizzazione di tale visione, però. Includono una scarsa ricaricabilità, efficienza ridotta a causa di sovrapotenziali elevati (più energia di carica rispetto a quella di scarica) e bassa energia specifica.

Due instabilità contribuiscono a questi blocchi stradali. Gran parte del lavoro precedente svolto nel laboratorio di Lynden Archer, il James A. Friend Family Distinguished Professor of Engineering presso la Robert F. Smith School of Chemical and Biomolecular Engineering (CBE), ha incentrato su uno:la nucleazione e la crescita dei dendriti da un elettrodo all'altro, che provoca cortocircuiti, una fonte di insufficienza cellulare prematura che finisce invariabilmente in incendi.

È l'altra instabilità:la perdita di carica della batteria, noto anche come decadimento della capacità, questo è il fulcro del lavoro più recente del laboratorio. Snehashis Choudhury, uno studente di dottorato nel gruppo di ricerca Archer, ha fornito quella che Archer definisce una risposta "geniale" al problema della dissolvenza della capacità.

Il loro lavoro è dettagliato in "Interfasi del progettista per la cella elettrochimica litio-ossigeno, " pubblicato il 21 aprile in Progressi scientifici . Choudhury è co-primo autore insieme a Charles Wan '17, una specializzazione in ingegneria chimica.

La diminuzione della capacità si verifica quando l'elettrolita, che trasporta ioni carichi dall'elettrodo negativo (anodo) al positivo (catodo), reagisce con gli elettrodi. "Comincia a consumare gli elettrodi, " Choudhury ha detto. "Forma molti prodotti isolanti che impediscono il trasporto di ioni. Col tempo, questi si accumulano per produrre una resistenza delle celle interne così proibitiva che alla fine la batteria si esaurisce."

Il problema:come fermare una reazione elettrolita-elettrodo, quando è un'altra necessaria reazione tra i due – il trasferimento di ioni – che produce energia? La soluzione di Choudhury è chiamata interfase artificiale solido-elettrolita (SEI), un materiale che protegge gli elettrodi favorendo il flusso di elettroni da un'estremità all'altra della cella.

"Tali interfasi si formano naturalmente in tutte le celle elettrochimiche... e la loro stabilità chemio-meccanica è fondamentale per il successo dell'anodo di grafite nelle batterie agli ioni di litio, "disse Archer."

L'approccio di Choudhury per la creazione di un'interfase di progettazione funzionale si basa su polimeri ionici contenenti bromuro (ionomeri) che si legano selettivamente all'anodo di litio per formare un rivestimento conduttivo dello spessore di pochi nanometri che protegge l'elettrodo dalla degradazione e dallo sbiadimento. Gli ionomeri SEI mostrano tre attributi che consentono una maggiore stabilità durante l'elettrodeposizione:protezione dell'anodo contro la crescita di dendriti; mediazione di riduzione-ossidazione (redox), che riduce le sovratensioni di carica; e la formazione di un'interfase stabile con il litio, proteggendo il metallo favorendo il trasporto ionico.

Esiste ancora una sfida:tutte le celle elettrochimiche al litio-ossigeno di livello di ricerca vengono valutate utilizzando ossigeno puro come materiale catodico attivo. Per un litio-ossigeno commercialmente valido (o litio-aria, come è anche noto) cella, avrebbe bisogno di estrarre ossigeno dall'aria, e che l'ossigeno contiene anche altri componenti reattivi, come umidità e anidride carbonica.

Se le inefficienze che limitano le prestazioni delle celle a combustibile al litio-ossigeno possono essere risolte, le eccezionali opzioni di accumulo di energia offerte dalla chimica cellulare rappresenterebbero un gigantesco passo avanti per il trasporto elettrificato e un progresso rivoluzionario per la robotica autonoma, ha detto Archer.

"Dalle osservazioni dei robot umanoidi più avanzati si dice che sono sempre legati a un cavo elettrico ultra lungo o che usano qualcosa come un rumoroso motore di un tosaerba per generare energia, Archer ha detto. "Entrambe le fonti di energia sono poco paragonabili a quelle sviluppate dai sistemi viventi:le tecnologie di accumulo di energia come le celle Li-air che sfruttano i materiali dell'ambiente circostante promettono di colmare questo divario".

Altri contributori sono stati Lena Kourkoutis, professore assistente e membro di facoltà del Sesquicentennial di Rebecca Q. e James C. Morgan in fisica applicata e ingegneria; dottorando CBE Wajdi Al Sadat; Sampson Lau, dottorato di ricerca '16; Zhengyuan Tu, dottorando in scienze e ingegneria dei materiali; e Michael Zachman, dottorando in fisica applicata e ingegneristica.

Archer ha notato che Wan e Lau hanno costruito la cella elettrochimica, compresa la progettazione della configurazione del catodo, utilizzati nella loro sperimentazione.

"Charles è uno studente universitario eccezionale, " Archer ha detto. "Gli studenti universitari sono qui principalmente per concentrarsi su come ottenere un'istruzione di prim'ordine e storicamente hanno avuto poco tempo per condurre ricerche. Ma sempre più si stanno impegnando nella ricerca, e ad un livello che in alcuni casi è paragonabile al nostro miglior dottorato di ricerca. studenti."

"Sono davvero fortunato ad avere il professor Archer come mentore, " ha detto Wan. "Questa pubblicazione è la prova che gli studenti universitari possono svolgere un ruolo fondamentale nella ricerca se ne hanno la possibilità, qualcosa in cui il professor Archer crede con tutto il cuore."