二维材料可能催化有前途的锂空气电池的性能

电子传输综合体可以让电动汽车每次充电行驶400至500英里

锂空气电池被认为是未来最有前景的储能应用技术之一。从理论上讲,这种电池的储能能力是锂离子电池的10倍,重量也比锂离子电池轻得多,但它们仍在开发中,其稳定性和效率仍未达到预期。电池研究人员正在努力寻找催化剂,可以提高电池内部化学反应的速率,从而提高电池保持和放电能量的能力。

锂空气
2D催化剂驱动电动汽车。图片:阿明Salehi-Khojin

工程师在芝加哥伊利诺伊大学(UIC)正在研究二维过渡金属的化合物——占领的中心块的元素周期表,往往有大量的电子/原子能够成为参与成键和电活动——非金属。

在《先进材料, Amin Salehi-Khojin和他来自UIC工程学院的同事描述了一种被称为过渡金属二卤族化合物(TMDCs)的化合物如何使锂空气电池比使用传统催化剂的电池多储存10倍的能量。硫属化合物是包含元素周期表第16族元素的化合物,包括氧、硫、硒和碲。

锂空气电池使用纯锂制成的阳极,外部环境空气作为阴极,通常使用水溶液电解质。催化剂一般溶解在电解质中,常规使用金和铂。TMDCs,特别是那些二维形状的,具有很高的电导率和快速的电子转移,根据Salehi-Khojin的说法,TMDCs是双功能的:即,它们在充电和放电电池中都是活跃的。

芝加哥团队与普渡大学、圣路易斯华盛顿大学的其他工程师以及阿贡国家实验室的材料科学家合作,使用了一种基于二甲基亚砜(DMSO)的离子液体电解质电池,它通常被用作一种溶剂,可以溶解含有带电和不带电成分的物质。

Salehi-Khojin说:“我们使用的2D tdmc和离子液体电解质作为辅助催化剂系统,帮助电子更快地转移,导致更快的充电和更有效的能量存储和放电。”

Salehi-Khojin的团队合成了15种TMDCs,包括双碲酸钒和二硒酸钒以及二硫化物钼和铌,并在一个模拟锂空气电池的电化学系统中研究了它们的活性。

UIC工程学院的研究生、论文第一作者Leily Majidi说:“在二维形式下,这些TMDCs有更好的电子性能和更大的反应表面积,可以参与电池内的电化学反应,同时它们的结构保持稳定。”“与传统催化剂相比,这些材料的反应速率要高得多。”

Salehi-Khojin相信这些技术会变得非常有用。他说:“我们将需要高能量密度电池来为新的先进技术提供动力,这些技术将被应用于手机、笔记本电脑,尤其是电动汽车。”“目前,电动汽车每次充电平均能跑100英里,但随着锂-空气电池中加入2D催化剂,我们每次充电可以跑近400至500英里,这将是真正的游戏规则改变者。”这些新材料代表了一种新的途径,可以将电池提升到一个新的水平,我们只需要开发更有效地生产和更大规模地调整它们的方法。”

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