Onderzoekers onthullen mysterie in lithium-zuurstofbatterijen

Met een hoge energiedichtheid, Li-O₂ batterijen zijn een state-of-the-art batterijtechnologie geworden. Binnen in de Li-O₂ batterij, de generatie en desintegratie van het ontladen product vast lithiumperoxide (Li₂O₂) hebben een aanzienlijk effect op de prestaties van de batterij. Eerder onderzoek heeft weinig licht geworpen op Li₂O₂ ’s vorm en distributie binnen, waardoor vragen over de trend en bijdragende factor van interne Li₂O₂ ’s verandering in vorm en grootte onbeantwoord.

Onlangs ontwierp een team onder leiding van prof. Tan Peng van de Universiteit voor Wetenschap en Technologie van China (USTC) van de Chinese Academie van Wetenschappen een met koolstof gecoate anodische aluminiumoxide (C-AAO) luchtelektrode met een zeer geordende array -achtige structuur. Het team kreeg nieuwe inzichten in de plotselinge dood en reactieroutes van Li-O₂ batterijen. Het werk is gepubliceerd in Nano-letters.

Het onderzoeksteam ontwierp een speciale C-AAO-elektrode die gemakkelijk breekt en toch de distributie van producten behoudt, waardoor Li₂O₂ waarnemingen over de gehele elektrode. Met behulp van elektrochemische impedantiespectroscopie (EIS) bepaalde het team de bijdragende factor aan plotselinge spanningsdaling en dood bij verschillende stroomdichtheden.

Onderzoeksresultaten tonen aan dat kanaaldiameters bij kleine stromen de groei van ringkern Li . beperken₂O₂, waardoor elektrodeblokkering ontstaat. Dus de plotselinge dood in spanning wordt geassocieerd met een grote ladingsoverdrachtsimpedantie en concentratiepolarisatie veroorzaakt door blokkering van de elektroden. Bij hoge stromen wordt de plotselinge dood toegeschreven aan de minder significante ladingsoverdrachtsimpedantie en concentratiepolarisatie van de snelle elektrochemische reacties.

Om het mechanisme van dergelijke reacties te vinden, voerde het onderzoeksteam bovendien een gedetailleerde analyse uit van het groeimodel van Li₂O₂ op de eindoppervlakken en het interieur van C-AAO-elektroden. Li₂O₂ op de eindvlakken is te vinden in drie ringkernmodel.

De meest voorkomende groeit “knuffelend” tegen de muur en vormt een onvolledige ring. De rest groeit ofwel zijdelings op het oppervlak, of in de vorm van kernen, vormend op andere Li₂O₂ oppervlakken. Naarmate de stroomdichtheid toeneemt, toroïdale Li₂O₂ binnen de elektrode wordt waarschijnlijk bedekt door zijn uitgevlokte tegenhangers, wat aangeeft dat Li₂O₂ wordt geproduceerd langs de oppervlakken van de elektrode, in plaats van disproportionering binnen kanalen.

Het team stelde een nieuwe groeiroute voor ringkern Li . voor₂O₂waarin Li₂O₂ gevormd aan de Li₂O₂/elektrode-interface tijdens vroege groei is gerelateerd aan de oppervlakteroute, gevolgd door lithiumperoxide (LiO₂) in oplossing onevenredig rond Li₂O₂ deeltjes, die de oppervlakteroute bedekken en een onvolledige ring vormen.

Dit onderzoek leverde antwoorden op al lang bestaande vragen over het mechanisme van Li-O₂ batterijen, evenals inzichten in het verdere ontwerp van elektroden.