„Rechargeable lithium–air (O2) batteries are receiving intense interest because their high theoretical specific energy exceeds that of lithium-ion batteries. If the Li–O2 battery is ever to succeed, highly reversible formation/decomposition of Li2O2 must take place at the cathode on cycling. However, carbon, used ubiquitously as the basis of the cathode, decomposes during Li2O2 oxidation on charge and actively promotes electrolyte decomposition on cycling. Replacing carbon with a nanoporous gold cathode, when in contact with a dimethyl sulphoxide-based electrolyte, does seem to demonstrate better stability. However, nanoporous gold is not a suitable cathode; its high mass destroys the key advantage of Li–O2 over Li ion (specific energy), it is too expensive and too difficult to fabricate. Identifying a suitable cathode material for the Li–O2 cell is one of the greatest challenges at present. Here we show that a TiC-based cathode reduces greatly side reactions (arising from the electrolyte and electrode degradation) compared with carbon and exhibits better reversible formation/decomposition of Li2O2 even than nanoporous gold (>98% capacity retention after 100 cycles, compared with 95% for nanoporous gold); it is also four times lighter, of lower cost and easier to fabricate. The stability may originate from the presence of TiO2 (along with some TiOC) on the surface of TiC. In contrast to carbon or nanoporous gold, TiC seems to represent a more viable, stable, cathode for aprotic Li–O2 cells.“

source: http://www.nature.com/nmat/journal/v12/n11/full/nmat3737.html

Li–O2 and Li–S batteries with high energy storage

Li-ion batteries have transformed portable electronics and will play a key role in the electrification of transport. However, the highest energy storage possible for Li-ion batteries is insufficient for the long-term needs of society, for example, extended-range electric vehicles. To go beyond the horizon of Li-ion batteries is a formidable challenge; there are few options. Here we consider two: Li–air (O2) and Li–S. The energy that can be stored in Li–air (based on aqueous or non-aqueous electrolytes) and Li–S cells is compared with Li-ion; the operation of the cells is discussed, as are the significant hurdles that will have to be overcome if such batteries are to succeed. Fundamental scientific advances in understanding the reactions occurring in the cells as well as new materials are key to overcoming these obstacles. The potential benefits of Li–air and Li–S justify the continued research effort that will be needed.

source: http://www.nature.com/nmat/journal/v11/n1/full/nmat3191.html

Nature Materials 12, 1050–1056 doi:10.1038/nmat3737
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Script: Script TU Graz Lithium-Batterien.pdf

Titancarbid statt Goldkathoden

http://derstandard.at/1385169548534/Energiespeicher-Titancarbid-verbessert-Lithium-Luft-Batteriekonzept

Lithium-Luft-Akku besteht Praxistest

Weltweit suchen Forscher nach leistungsfähigeren elektrischen Batterien. Eine viel versprechende Option ist der so genannte Lithium-Luft-Akku, der theoretisch eine Energiedichte von bis zu 11 Kilowattstunden pro Kilogramm erreicht – das 50-Fache heutiger Lithiumionenbatterien. Seine Anode besteht aus metallischem Lithium, seine Kathode hingegen aus Sauerstoff oder einfach aus Luft. Während des Entladens lösen sich positiv geladene Lithiumionen von der Anode und wandern durch den Elektrolyten hindurch zur Kathode. Die zurückbleibenden freien Elektronen fließen durch einen äußeren Stromkreis – den Verbraucher – zur Kathode und verbinden sich dort mit Sauerstoff und Lithiumionen zu Lithiumperoxid. Beim Aufladen läuft der umgekehrte Vorgang ab…

http://www.spektrum.de/alias/energiespeicher/lithium-luft-akku-besteht-praxistest/1159675

 

02.12.2013 09:58

„Luftige „Super-Batterie“: Forschern der TU Graz gelingt weiterer Schritt zur Lithium-Luft-Batterie“

Mag. Alice Senarclens de Grancy Büro des Rektorates – Kommunikation
Technische Universität Graz

Lithium-Luft-Batterien können potentiell zehn Mal mehr Energie als Lithium-Ionen-Batterien speichern und gelten daher als deren vielversprechende Nachfolgerinnen. Die „luftige Super-Batterie“ ist besonders für die Elektromobilität interessant, steckt aber teilweise noch in den Kinderschuhen, beispielsweise was die Leitfähigkeit der Elektroden betrifft. In Zusammenarbeit mit der schottischen St. Andrews University haben Batterieforscher der TU Graz mit dem Einsatz von Titancarbid die Leitfähigkeit und Effizient der Lithium-Luft-Batterie entscheidend verbessert. Die Arbeit wurde in der aktuellen Ausgabe des renommierten Fachjournals „Nature Materials“ publiziert.

Obwohl sie als leistungsfähige Energiespeicher heute in Notebooks und Handys zu finden sind, haben Lithium-Ionen-Batterien gravierende Nachteile, etwa beschränkte Energiekapazitäten und rasch auftretende „Alterserscheinungen“. An ihre Stelle rücken könnte, insbesondere in zukünftigen Elektrofahrzeugen, die Lithium-Luft-Batterie, die dank leichter Sauerstoff- statt schwerer metallischer Ionenstrukturen die Energiespeicherkapazität potentiell verzehnfacht. Die neue Batterietechnologie steckt zum Gutteil aber noch in den Kinderschuhen. Zudem kommt die „luftige Super-Batterie“ im Gegensatz zur Lithium-Ionen-Batterie ohne teure und begrenzt verfügbare Übergangsmetalle wie Kobalt, Nickel oder Mangan aus. Forscher der TU Graz haben nun entscheidend zur weiteren Ausreifung der Lithium-Luft-Batterie beigetragen: In Zusammenarbeit mit der schottischen St. Andrews University haben sie für die Elektrode Titancarbid statt Kohlenstoff verwendet und damit die Leitfähigkeit und Stabilität entscheidend verbessert. Die renommierte Fachpublikation „Nature Materials“ veröffentlich die Arbeit in der aktuellen Ausgabe.

Leitfähigkeit im Visier

Im Rahmen eines Auslandsaufenthaltes in St. Andrews hat sich Stefan Freunberger vom Institut für Chemische Technologie von Materialien der TU Graz mit schottischen Kollegen eingehend mit der Leitfähigkeit von Elektroden in Lithium-Luft-Batterien befasst. Üblicherweise wird dafür Kohlenstoff in Form von Ruß verwendet. In der Lithium-Luft-Batterie heißt der Reaktionspartner Sauerstoff, und dieser greift die Kohlenstoffoberfläche an – frühzeitige Nebenreaktionen, die die Wiederaufladbarkeit verringern, sind die Folge. Die Forscher haben daher erstmals titancarbid-basierte Elektroden untersucht und wurden positiv überrascht: Das Titancarbid sorgt für eine „saubere“ Zellreaktion und erhöht damit die Energieeffizienz und die Lebensdauer der Batterie. „Die Batterie kann so bei höherer Belastung betrieben werden und es gibt weniger Verlustleistung, das heißt, sie erwärmt nicht so stark“, führt Stefan Freunberger aus. Als nächsten Schritt wollen die Grazer Batterieforscher die Porosität der Titancarbidstruktur mittels eines neuen Syntheseweges erhöhen und so die Energiekapazität der „luftigen“ Batterietechnologie der Zukunft weiter steigern.

Originalpublikation:
Muhammed M. Ottakam Thotiyl, Stefan A. Freunberger, Zhangquan Peng, Yuhui Chen, Zheng Liu & Peter G. Bruce: A stable cathode for the aprotic Li–O2 battery. Nature Materials, November 2013, Volume 12. Page 1050. 2013. http://www.nature.com/nmat/journal/v12/n11/full/nmat3737.html

Rückfragen:
Dipl.-Ing. Dr.sc.ETH Stefan Freunberger
Institut für Chemische Technologie von Materialien
Tel.: 0043 (0) 316 873 32386
E-Mail: freunberger@tugraz.at

http://www.solarserver.de/solar-magazin/nachrichten/aktuelles/2013/kw49/forschern-der-tu-graz-gelingt-weiterer-schritt-zur-lithium-luft-batterie-einsatz-in-elektroautos-sinnvoll.html

http://www.kleinezeitung.at/steiermark/graz/graz/3483419/tu-graz-macht-fortschritte-bei-lithium-luft-batterie.story

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