As células a combustível de lítio-oxigênio apresentam níveis de densidade de energia comparáveis ​​aos combustíveis fósseis e, portanto, são vistas como um candidato promissor para as necessidades futuras de energia relacionadas ao transporte.

Vários obstáculos impedem a concretização dessa visão, Contudo. Eles incluem baixa capacidade de recarga, eficiência reduzida devido a sobrepotenciais elevados (mais energia de carga do que energia de descarga) e baixa energia específica.

Duas instabilidades contribuem para esses obstáculos. Muito do trabalho anterior feito no laboratório de Lynden Archer, a James A. Friend Family Distinguished Professor of Engineering na Robert F. Smith School of Chemical and Biomolecular Engineering (CBE), centrou-se em um:a nucleação e crescimento de dendritos de um eletrodo para o outro, que causa curto-circuito, uma fonte de falha celular prematura que invariavelmente termina em incêndios.

É a outra instabilidade - a perda de energia da bateria, também conhecido como desvanecimento da capacidade - esse é o foco do trabalho mais recente do laboratório. Snehashis Choudhury, um aluno de doutorado no Grupo de Pesquisa Archer, surgiu com o que Archer chama de uma resposta "engenhosa" para o problema do enfraquecimento da capacidade.

Seu trabalho é detalhado em "Designer de interfaces para a célula eletroquímica de lítio-oxigênio, "publicado em 21 de abril em Avanços da Ciência . Choudhury é o co-primeiro autor junto com Charles Wan '17, graduado em engenharia química.

O enfraquecimento da capacidade ocorre quando o eletrólito, que transporta íons carregados do eletrodo negativo (ânodo) para o positivo (cátodo), reage com os eletrodos. “Começa a consumir os eletrodos, "Choudhury disse." Ele forma muitos produtos isolantes que impedem o transporte de íons. Hora extra, estes se acumulam para produzir uma resistência celular interna tão proibitiva que, finalmente, a bateria enfraquece. "

O problema:como você interrompe uma reação eletrólito-eletrodo, quando é outra reação necessária entre os dois - a transferência de íons - que produz energia? A solução de Choudhury é chamada de interfase de eletrólito sólido artificial (SEI), um material que protege os eletrodos enquanto promove o fluxo de elétrons de uma extremidade da célula para a outra.

"Essas interfases se formam naturalmente em todas as células eletroquímicas ... e sua estabilidade quimio-mecânica é crítica para o sucesso do ânodo de grafite em baterias de íon-lítio, "Archer disse."

A abordagem de Choudhury para a criação de uma interface de designer funcional é baseada em polímeros iônicos contendo brometo (ionômeros) que se prendem seletivamente ao ânodo de lítio para formar um revestimento condutor de poucos nanômetros de espessura que protege o eletrodo da degradação e desbotamento. Os ionômeros SEI apresentam três atributos que permitem maior estabilidade durante a eletrodeposição:proteção do ânodo contra o crescimento de dendritos; mediação de redução-oxidação (redox), que reduz os overpotentials de carga; e a formação de uma interfase estável com o lítio, proteger o metal enquanto promove o transporte de íons.

Um desafio ainda existe:todas as células eletroquímicas de lítio-oxigênio de nível de pesquisa são avaliadas usando oxigênio puro como o material catódico ativo. Para um lítio-oxigênio comercialmente viável (ou lítio-ar, como também é conhecido) célula, precisaria puxar o oxigênio do ar, e que o oxigênio também contém outros componentes reativos, como umidade e dióxido de carbono.

Se as ineficiências que limitam o desempenho das células de combustível de lítio-oxigênio podem ser resolvidas, as opções excepcionais de armazenamento de energia oferecidas pela química celular seriam um passo gigante para o transporte eletrificado e um avanço revolucionário para a robótica autônoma, Disse Archer.

"É revelador, a partir das observações dos robôs humanóides mais avançados, que eles estão sempre presos a um cabo elétrico ultralongo ou usando algo como um motor de cortador de grama barulhento para gerar energia, "Archer disse." Qualquer uma das fontes de energia se compara mal aos sistemas vivos desenvolvidos - tecnologias de armazenamento de energia, como células de ar de lítio, que aproveitam materiais dos arredores prometem fechar essa lacuna. "

Outros contribuidores foram Lena Kourkoutis, professor assistente e Rebecca Q. e James C. Morgan Sesquicentennial Faculty Fellow em física aplicada e engenharia; O aluno de doutorado do CBE Wajdi Al Sadat; Sampson Lau, Ph.D. '16; Zhengyuan Tu, doutorando em ciência e engenharia de materiais; e Michael Zachman, doutorando em física aplicada e engenharia.

Archer observou que Wan e Lau construíram a célula eletroquímica, incluindo o projeto da configuração do cátodo, usados ​​em sua experimentação.

"Charles é um aluno excepcional de graduação, "Disse Archer." Os alunos de graduação estão aqui principalmente para se concentrar em obter uma educação de primeira linha e, historicamente, têm pouco tempo para conduzir pesquisas. Mas cada vez mais eles estão se engajando em pesquisas, e em um nível que, em alguns casos, é comparável ao nosso melhor Ph.D. alunos. "

"Eu sou realmente afortunado por ter o Professor Archer como mentor, "Wan disse." Esta publicação é a prova de que os alunos de graduação podem desempenhar um papel crítico na pesquisa, se tiverem a oportunidade, algo em que o professor Archer acredita de todo o coração. "