Forschung -

Eine Lithium-Luft-Batterieladung gut für 800 km?

Lithium-Luft-Batterien sollen der nächste revolutionäre Ersatz für die derzeit verwendeten Lithium-Ionen-Batterien werden, die jetzt noch Elektrofahrzeuge, Mobiltelefone und Computer mit Energie versorgen.

Lithium-Luft-Batterien, die sich derzeit noch in der experimentellen Entwicklungsphase befinden, können 10-mal mehr Energie speichern als Lithium-Ionen-Batterien und sind viel leichter.

Allerdings könnten Lithium-Luft-Batterien noch effizienter sein und durch die Verwendung fortschrittlicher Katalysatoren aus zweidimensionalen Materialien mehr Ladung bieten.

Katalysatoren tragen dazu bei, die chemische Reaktionsrate in Batterien zu erhöhen, und je nach Materialart, aus dem der Katalysator hergestellt wird, können sie dazu beitragen, die Fähigkeit der Batterie, Energie zu speichern und bereitzustellen, deutlich zu erhöhen.

"Wir werden sehr energieintensive Batterien benötigen, um neue fortschrittliche Technologien zu betreiben, die in Handys, Laptops und vor allem in Elektrofahrzeugen zum Einsatz kommen", sagte Amin Salehi-Khojin, außerordentlicher Professor für Maschinenbau und Wirtschaftsingenieurwesen am UIC College of Engineering.

Salehi-Khojin und seine Kollegen synthetisierten mehrere 2-D Materialien, die als Katalysatoren dienen können. Eine Reihe ihrer 2-D Materialien, die als Katalysator in experimentelle Lithium-Luft-Batterien eingebaut wurden, ermöglichten es der Batterie, bis zu 10-mal mehr Energie aufzunehmen als Lithium-Luft-Batterien mit herkömmlichen Katalysatoren. Ihre Ergebnisse wurden in "Advanced Materials" veröffentlicht.

"Derzeit liegen die Durchschnittswerte für Elektrofahrzeuge bei etwa 160 km pro Ladung, aber mit der Integration von 2-D Katalysatoren in Lithium-Luft-Batterien könnten wir näher an 640 bis 800 km pro Ladung heranreichen, was ein echter Wendepunkt wäre", sagte Salehi-Khojin. "Das wäre ein großer Durchbruch bei der Energiespeicherung."

Salehi-Khojin und seine Kollegen synthetisierten 15 verschiedene Arten von 2-D Übergangsmetalldichalcogeniden oder TMDCs. TMDCs sind einzigartige Verbindungen, weil sie eine hohe elektronische Leitfähigkeit und einen schnellen Elektronentransfer aufweisen.

Sie sind zum Beispiel dort einsetzbar, wo es um Reaktionen mit anderen Materialien geht, wie beispielsweise in Batterien während des Ladens und Entladens.

Die Forscher untersuchten experimentell die Leistung von 15 TMDCs als Katalysatoren in einem elektrochemischen System, das eine Lithium-Luft-Batterie nachahmt.

"In ihrer 2-D Form haben diese TMDCs viel bessere elektronische Eigenschaften und eine größere reaktive Oberfläche, um an elektrochemischen Reaktionen innerhalb einer Batterie teilzunehmen, während ihre Struktur stabil bleibt", erklärte Leily Majidi, Doktorandin am UIC College of Engineering und Erstautorin des Forschungsberichtes.

"Die Reaktionsraten sind mit diesen Materialien viel höher als bei herkömmlichen Katalysatoren wie Gold oder Platin", sagte Majidi.

Einer der Gründe, warum die 2-D TDMCs so gut funktioniert haben, ist, dass sie dazu beitragen, sowohl die Lade- als auch die Entladereaktionen in Lithium-Luft-Batterien zu beschleunigen.

"Das wäre die sogenannte Bifunktionalität des Katalysators", sagte Salehi-Khojin. Die 2-D Materialien kooperieren auch mit dem Elektrolyten.

"Die 2D-TDMCs und der von uns verwendete ionische Flüssigelektrolyt, funktionieren als Co-Katalysatorsystem, das die Elektronen schneller übertragen kann, was zu schnelleren Ladevorgängen und einer effizienteren Speicherung und Energieentladung führt."

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