Un processo redox a quattro elettroni in una cella Li-ossigeno viene elettrocatalizzato da un catodo composito bifunzionale di ossido di nichel litiato-sale fuso a temperatura elevata per formare Li2O. Evolve ossigeno sotto carica con un'efficienza coulombiana vicina al 100%. Credito:Chun Xia e Chun Yuen Kwok
I chimici dell'Università di Waterloo hanno risolto con successo due dei problemi più impegnativi relativi alle batterie al litio-ossigeno, e nel processo ha creato una batteria funzionante con un'efficienza coulombiana vicina al 100%.
Il nuovo lavoro, che appare questa settimana in Scienza , dimostra che la conversione a quattro elettroni per l'elettrochimica litio-ossigeno è altamente reversibile. Il team è il primo a raggiungere la conversione a quattro elettroni, che raddoppia l'accumulo di elettroni del litio-ossigeno, noto anche come litio-aria, batterie.
"Ci sono limitazioni basate sulla termodinamica, " disse Linda Nazar, Canada Research Chair di Solid State Energy Materials e autore senior del progetto. "Tuttavia, il nostro lavoro ha affrontato questioni fondamentali che le persone hanno cercato di risolvere per molto tempo".
L'elevata densità di energia teorica del litio-ossigeno (Li-O 2 ) e il loro peso relativamente leggero le hanno rese il Santo Graal dei sistemi di batterie ricaricabili. Ma problemi di vecchia data con la chimica e la stabilità della batteria hanno mantenuto una curiosità puramente accademica.
Due dei problemi più seri riguardano l'intermedio della chimica cellulare (superossido, LiO 2 ) e il prodotto perossido (Li2O 2 ) reagendo con il catodo di carbonio poroso, degradare la cellula dall'interno. Inoltre, il superossido consuma l'elettrolita organico nel processo, che limita notevolmente la durata del ciclo.
Nazar e i suoi colleghi hanno trasformato l'elettrolita organico in un sale fuso inorganico più stabile e il catodo di carbonio poroso in un catalizzatore di ossido di metallo bifunzionale. Quindi azionando la batteria a 150 C, hanno scoperto che si forma il prodotto più stabile Li2O invece di Li2O 2 . Ciò si traduce in una batteria Li-ossigeno altamente reversibile con efficienza coulombica che si avvicina al 100%.
Memorizzando O 2 come ossido di litio (Li2O) al posto del perossido di litio (Li2O 2 ), la batteria non solo ha mantenuto eccellenti caratteristiche di carica, ha raggiunto il massimo trasferimento di quattro elettroni nel sistema, aumentando così l'immagazzinamento energetico teorico del 50 per cento.
"Sostituendo l'elettrolita e l'host dell'elettrodo e aumentando la temperatura, mostriamo che il sistema funziona molto bene, " disse Nazaro, che è anche professore di ricerca universitaria presso il Dipartimento di Chimica di Waterloo.
