От Джаред Сагоф, Национална лаборатория в Аргон
Създаването на следващото поколение батерии зависи от намирането на материали, които осигуряват по-голям капацитет за съхранение. Една разновидност, известна като литиево-въздушни (Li-air) батерии, е особено привлекателна за изследователите, тъй като те имат значително по-висок теоретичен капацитет от конвенционалните литиево-йонни батерии.
Разработването на литиево-въздушни батерии обаче все още е в начален етап и като повечето нови технологии е изправено пред много предизвикателства. Едно от тези предизвикателства включва прехвърлянето на заряд към анода, който заедно с катода и електролита е един от трите основни компонента на батерията.
В ново проучване електрохимикът Di-Jia (D.J.) Liu и колегите му от Националната лаборатория Argonne на Министерството на енергетиката на САЩ изследваха поведението на анода в литиево-въздушни батерии по време на цикъла на батерията.
Чрез използването на високоенергийни, фокусирани рентгенови лъчи, осигурени от Advanced Photon Source (APS) на Argonne, Liu и неговият екип успяха да надникнат без разрушаване в работеща батерия, за да проучат промените в микроструктурата на анода. Те видяха образуването на тънко твърдо покритие от литиев хидроксид (LiOH), което продължи да расте за сметка на металния литий, докато металът се превърна напълно в хидроксид и прекрати операцията.
„Това беше въпросът, който всеки искаше да знае, но се страхуваше или не знаеше как да зададе“, каза Лиу. „Почти цялата литература за литиево-въздушни батерии досега се фокусира върху химичните процеси на катода, като се приема, че анодът е напълно обратим. Но сега знаем, че това не е така.“
Разследването на екипа не спря дотук. Тъй като литиевият хидроксид не е йон или електропроводим материал, остава загадка да се разбере как покритието не спира батерията да цикли веднага щом се формира. Използвайки 3-измерна микротомографска техника в APS, Liu и неговите сътрудници успяха да извършат "CAT сканиране" на хидроксидното покритие и откриха многобройни микроскопични тунели, свързващи металния литий на анода с останалата част от батерията.
"Тези тунели служат като йонопроводими канали, които пренасят литиеви йони между анода и катода", каза Лиу. „Те поддържаха работата на Li-air батерията, но не спряха разпадането на анода.“
Лиу вярва, че една от основните причини за проблема с литиевия хидроксид може да включва разпадането на електролита на батерията – средата, която транспортира литиеви йони между двата електрода. Разлагането на електролита има потенциал да образува вода близо до катода, която след това може да мигрира към анода и да реагира с металния литий.
Експериментът Argonne обаче не разкри никакъв литиев хидроксид в близост до катода, който би трябвало да присъства, ако водата се образува при разграждането на електролита. „Мисля, че генерирахме толкова въпроси, колкото и отговори чрез това проучване, което е вълнуващата част от науката“, каза той.
Тази работа беше извършена от екип от цял Аргон, включващ учени от линията на лъча Джон Окасински, Питър Кенеси, Джонатан Алмър и постдокторантите по химия Jianglan Shui и Dan Zhao. Той беше подкрепен от Службата за наука на Министерството на енергетиката на САЩ и програмата на Argonne's Grand Challenge. Работата е публикувана в броя на Nature Communications от 9 август.
