Le batterie al litio-aria producono energia dall'aria, e sono spesso chiamate batterie al litio-ossigeno. Sono molto più leggere delle batterie agli ioni di litio a causa della maggiore densità di energia. Le batterie al litio-aria hanno applicazioni che includono l'aumento dell'autonomia di guida delle auto elettriche con una singola carica. Però, nonostante i loro vantaggi, la produzione industriale di batterie litio-aria è inibita da problemi fondamentali che al momento non possono essere superati.

Artem Sergeev, un dottorato di ricerca studente del Dipartimento di Fisica dei Polimeri e dei Cristalli presso l'Università Statale Lomonosov di Mosca e uno dei coautori dice, "Una batteria al litio-aria potrebbe potenzialmente avere da tre a cinque volte più energia specifica rispetto alle moderne batterie agli ioni di litio. Uno dei problemi principali nello sviluppo delle batterie al litio-aria è la passivazione degli elettrodi, che è la transizione della superficie del materiale dell'elettrodo in uno stato inattivo. Abbiamo ottenuto nuovi dati riguardanti il ​​meccanismo di reazione e suggerito alcune idee su come inibire la passivazione degli elettrodi. La tecnica potrebbe essere utilizzata per solventi più appropriati, elettroliti e materiali per elettrodi."

L'atmosfera è una miscela di gas, ma è necessario ossigeno puro per il funzionamento delle batterie al litio-aria. L'anidride carbonica e l'umidità nei gas atmosferici rallentano le reazioni di ossidoriduzione alla base del funzionamento della batteria. Alcune stime suggeriscono che il superamento di questi ostacoli richiederà dai cinque ai dieci anni. Gli scienziati dell'Università statale di Mosca Lomonosov stanno studiando i processi che impediscono il funzionamento robusto delle batterie al litio-aria.

Alexei Chokhlov, uno degli autori, dice, "In genere, in caso di esito positivo dell'elaborazione, la batteria dovrebbe essere al litio-aria, implicando l'uso di aria ambientale. Membrane speciali potrebbero separare i componenti atmosferici indesiderati tra cui umidità e anidride carbonica. Ma attualmente, ci sono anche problemi più fondamentali, e per risolverli, usiamo celle al litio-ossigeno e forniamo ossigeno puro dalle bombole del gas."

Il catodo (un elettrodo positivo) in una batteria litio-aria è rappresentato da una spugna di carbonio porosa contenente la soluzione elettrolitica con ioni di litio. Il catodo è a contatto con l'ambiente esterno del gas, che è necessario per fornire l'apporto di ossigeno all'elettrolita, che è un conduttore di ioni liquidi. Gli scienziati hanno simulato l'interfaccia tra l'elettrodo e la soluzione elettrolitica al catodo di una batteria litio-aria e hanno offerto un approccio per inibire la passivazione dell'elettrodo. I ricercatori hanno utilizzato il complesso di supercomputer dell'Università statale di Mosca Lomonosov per la simulazione di tutti gli atomi con l'aiuto di metodi di dinamica molecolare.

Alexei Chokhlov dice, "C'è un gran numero di processi e reazioni paralleli che si verificano al catodo durante il funzionamento della batteria al litio-aria. Sfortunatamente, lo studio sperimentale delle fasi separate di questi processi risulta spesso impossibile, mentre la simulazione di fasi separate delle reazioni con l'aiuto di supercomputer consente di tracciare le tendenze di base nelle fasi che stiamo studiando".

Gli scienziati hanno scoperto che la riduzione degli anioni superossido che porta alla passivazione dell'elettrodo è possibile solo dopo il suo legame con i cationi di litio.

Alexei Khokhlov riassume:"Abbiamo capito che la formazione di prodotti di scarica non conduttivi proprio sulla superficie dell'elettrodo (la sua passivazione) avviene solo dopo il legame di un intermedio (anione superossido) con ioni di litio, che sono altamente concentrati vicino alla superficie dell'elettrodo. Se li sposti, la passivazione no, probabilmente, procedere così rapidamente."