Σταθερό «σουπεροξείδιο» ανοίγει την πόρτα σε μια νέα κατηγορία μπαταριών

Ενώ οι μπαταρίες ιόντων λιθίου έχουν μεταμορφώσει την καθημερινή μας ζωή, οι ερευνητές τώρα προσπαθούν να βρουν νέες «χημείες» που θα μπορούσαν να προσφέρουν ακόμα καλύτερες ενεργειακές δυνατότητες. Μία από αυτές τις «χημείες», λιθίου-αέρα, θα μπορούσε να υποσχεθεί μεγαλύτερη πυκνότητα ενέργειας, αλλά συνάμα έχει ορισμένα μειονεκτήματα. Χάρη στην έρευνα του Εθνικού Εργαστηρίου Argonne, του Αμερικανικού Υπουργείου Ενέργειας (DOE), ένα από αυτά τα μειονεκτήματα μπορεί να ξεπεραστεί.

Όλες οι προηγούμενες εργασίες στις μπαταρίες λιθίου-αέρα έδειξαν το ίδιο φαινόμενο: το σχηματισμό υπεροξειδίου του λιθίου (Li2O2), ενός στερεού ιζήματος που φράζει τους πόρους του ηλεκτροδίου.

Σε ένα πρόσφατο πείραμα, ωστόσο, οι επιστήμονες που ασχολούνται με μπαταρίες στο Argonne, Jun Lu, Larry Curtiss και Khalil Amine, μαζί με Αμερικανούς και Κορεάτες συνεργάτες τους, μπόρεσαν να παράγουν σταθερό κρυσταλλικό σουπεροξείδιο του λιθίου (LiΟ2) αντί του υπεροξειδίου του λιθίου, κατά τη διάρκεια της αποφόρτισης της μπαταρίας. Αντίθετα από το υπεροξείδιο του λιθίου, το σουπεροξείδιο του λιθίου μπορεί εύκολα να διαχωριστεί σε λίθιο και οξυγόνου, οδηγώντας σε υψηλή απόδοση και καλό κύκλο ζωής.

«Αυτή η ανακάλυψη πραγματικά ανοίγει ένα μονοπάτι για την δυνητική ανάπτυξη ενός νέου είδους μπαταρίας», δήλωσε ο Curtiss. «Παρόλο που χρειάζεται περισσότερη έρευνα, ο κύκλος ζωής της μπαταρίας είναι αυτό που ψάχναμε».

Το κύριο πλεονέκτημα μιας μπαταρίας που βασίζεται στο σουπεροξείδιο του λιθίου, εξήγησαν Curtiss και Amine, είναι ότι επιτρέπει, τουλάχιστον θεωρητικά, τη δημιουργία μιας μπαταρίας λιθίου-αέρα που αποτελεί αυτό που οι χημικοί αποκαλούν «κλειστό σύστημα». Τα ανοικτά συστήματα απαιτούν τη διαρκή πρόσληψη επιπλέον οξυγόνου από το περιβάλλον, ενώ τα κλειστά συστήματα όχι – καθιστώντας τα πιο ασφαλή και πιο αποτελεσματικά.

«Η σταθεροποίηση της φάσης του σουπεροξειδίου θα μπορούσε να οδηγήσει στην ανάπτυξη ενός νέου κλειστού συστήματος μπαταρίας που βασίζεται στο υπεροξείδιο του λιθίου, το οποίο έχει τη δυνατότητα να προσφέρει πραγματικά πέντε φορές την ενεργειακή πυκνότητα των ιόντων λιθίου», είπε ο Amine.

Οι Curtiss και Lu απέδωσαν την αύξηση του σουπεροξειδίου λιθίου στην απόσταση των ατόμων ιριδίου στο ηλεκτρόδιο που χρησιμοποιήθηκε στο πείραμα. «Μοιάζει σαν το ιρίδιο να χρησιμεύει ως ένα καλό πρότυπο για την ανάπτυξη του σουπεροξειδίου», είπε ο Curtiss.

«Ωστόσο, αυτό είναι μόνο ένα ενδιάμεσο βήμα», πρόσθεσε ο Lu. «Έχουμε να μάθουμε πώς να σχεδιάσουμε καταλύτες για να κατανοήσουμε τι ακριβώς περιλαμβάνεται στις μπαταρίες λιθίου-αέρα».

Πηγή: Argonne National Laboratory

Περισσότερα στην εργασία: A lithium–oxygen battery based on lithium superoxide, Nature, Published online 11 January 2016