Politics.be - Doorbraak Lithium-lucht batterij

1200 Wh/kg en duurzame 1000 cycli claimt Argonne National Laboratory, en dat is zowat de overheidsreferte in de USA. (Energy Department USA, U Chicago,... ).

Dat zou zelfs de definitieve doorbraak betekenen voor het electrisch vliegen met "relatief kleine vliegtuigen", pakweg 10 tot 25 passagiers, of navenant cargo vluchten, over afstanden tot 1200 km.

De Eviation Alice wacht hier al vele jaren op om hun te zwaar batterijpack met huidige nog 260 Wh/kg li-ion cellen te vervangen, die wordt dan quasi 4 tot 5 maal lichter, ipv 3,4 ton pakweg 0,8 ton. Elke 10 kg telt bij het vliegen.

De ontwikkeling van Li-Air cellen is al een heel tijdje bezig (+10 jaar), maar duurzaamheid (aantal cycli) was totaal onvoldoende. De wetenschappers claimen nu een design te hebben dat 1000 cycli haalt (labotesten) en alvast 1200 Wh/kg gaat halen in nabije toekomst. En naar boven zal er nog meer rek op zitten, imo.

Citaat:

https://www.energymonitor.ai/sectors...cle-batteries/

March 20, 2023

US scientists make breakthrough for long-range EV batteries

A new lithium-air battery could one day replace the lithium-ion battery, and power cars, domestic airplanes and long-haul trucks.

The lithium-air battery uses a solid electrolyte instead of the typical liquid variety, potentially boosting the battery’s energy density by as much as four times above Li-ion batteries, which translates into a longer driving range. The new design is also not subject to the usual safety issues with the liquid electrolytes used in Li-ion and other batteries, which can overheat and catch fire.

“For over a decade, scientists at Argonne and elsewhere have been working overtime to develop a lithium battery that makes use of the oxygen in air,” said Larry Curtiss, an Argonne Distinguished Fellow, in a press statement. “The lithium-air battery has the highest projected energy density of any battery technology being considered for the next generation of batteries beyond lithium-ion.”

Beter de directe link:
https://www.anl.gov/article/new-desi...the-lithiumion

New design for lithium-air battery could offer much longer driving range compared with the lithium-ion battery

New batteries could one day power cars, airplanes, trucks

BY JOSEPH E. HARMON|FEBRUARY 22, 2023

New safer battery, tested for a thousand cycles in a test cell, can store far more energy than today’s common lithium-ion batteries.

Images of a car, truck, and airplane next to a cube shape divided into layers illustrating different components in a lithium-air battery cell. (Image by Argonne National Laboratory.)

Schematic shows lithium-air battery cell consisting of lithium metal anode, air-based cathode, and solid ceramic polymer electrolyte (CPE). On discharge and charge, lithium ions (Li+) go from anode to cathode, then back. (Image by Argonne National Laboratory.)

Many owners of electric cars have wished for a battery pack that could power their vehicle for more than a thousand miles on a single charge. Researchers at the Illinois Institute of Technology (IIT) and U.S. Department of Energy’s (DOE) Argonne National Laboratory have developed a lithium-air battery that could make that dream a reality. The team’s new battery design could also one day power domestic airplanes and long-haul trucks.

The main new component in this lithium-air battery is a solid electrolyte instead of the usual liquid variety. Batteries with solid electrolytes are not subject to the safety issue with the liquid electrolytes used in lithium-ion and other battery types, which can overheat and catch fire.

Citaat:

“The lithium-air battery has the highest projected energy density of any battery technology being considered for the next generation of batteries beyond lithium ion.” — Larry Curtiss, Argonne Distinguished Fellow

More importantly, the team’s battery chemistry with the solid electrolyte can potentially boost the energy density by as much as four times above lithium-ion batteries, which translates into longer driving range.

“For over a decade, scientists at Argonne and elsewhere have been working overtime to develop a lithium battery that makes use of the oxygen in air,” said Larry Curtiss, an Argonne Distinguished Fellow. “The lithium-air battery has the highest projected energy density of any battery technology being considered for the next generation of batteries beyond lithium-ion.”

In past lithium-air designs, the lithium in a lithium metal anode moves through a liquid electrolyte to combine with oxygen during the discharge, yielding lithium peroxide (Li2O2) or superoxide (LiO2) at the cathode. The lithium peroxide or superoxide is then broken back down into its lithium and oxygen components during the charge. This chemical sequence stores and releases energy on demand.

The team’s new solid electrolyte is composed of a ceramic polymer material made from relatively inexpensive elements in nanoparticle form. This new solid enables chemical reactions that produce lithium oxide (Li2O) on discharge.

“The chemical reaction for lithium superoxide or peroxide only involves one or two electrons stored per oxygen molecule, whereas that for lithium oxide involves four electrons,” said Argonne chemist Rachid Amine. More electrons stored means higher energy density.

The team’s lithium-air design is the first lithium-air battery that has achieved a four-electron reaction at room temperature. It also operates with oxygen supplied by air from the surrounding environment. The capability to run with air avoids the need for oxygen tanks to operate, a problem with earlier designs.

The team employed many different techniques to establish that a four-electron reaction was actually taking place. One key technique was transmission electron microscopy (TEM) of the discharge products on the cathode surface, which was carried out at Argonne’s Center for Nanoscale Materials, a DOE Office of Science user facility. The TEM images provided valuable insight into the four-electron discharge mechanism.

Past lithium-air test cells suffered from very short cycle lives. The team established that this shortcoming is not the case for their new battery design by building and operating a test cell for 1000 cycles, demonstrating its stability over repeated charge and discharge.

“With further development, we expect our new design for the lithium-air battery to also reach a record energy density of 1200 watt-hours per kilogram,” said Curtiss. “That is nearly four times better than lithium-ion batteries.”

This research was published in a recent issue of Science. Argonne authors include Larry Curtiss, Rachid Amine, Lei Yu, Jianguo Wen, Tongchao Liu, Hsien-Hau Wang, Paul C. Redfern, Christopher Johnson and Khalil Amine. Authors from IIT include Mohammad Asadi, Mohammadreza Esmaeilirad and Ahmad Mosen Harzandi. And Authors from the University of Illinois Chicago include Reza Shahbazian-Yassar, Mahmoud Tamadoni Saray, Nannan Shan and Anh Ngo.

The research was funded by the DOE Vehicle Technologies Office and the Office of Basic Energy Sciences through the Joint Center for Energy Storage Research.

Citaat:

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abq1347

SCIENCE 2 Feb 2023 Vol 379, Issue 6631 pp. 499-505
DOI: 10.1126/science.abq1347

A room temperature rechargeable Li2O-based lithium-air battery enabled by a solid electrolyte

An enabling composite electrolyte

Lithium-air batteries have scope to compete with gasoline in terms of energy density. However, in most systems, the reaction pathways either involve one- or two-electron transfer, leading to lithium peroxide (Li2O2) or lithium superoxide (LiO2), respectively. Kondori et al. investigated a lithium-air battery that uses a ceramic-polyethylene oxide–based composite solid electrolyte and found that it can undergo a four-electron redox reaction through lithium oxide (Li2O) formation and decomposition (see the Perspective by Dong and Lu). The composite electrolyte embedded with Li10GeP2S12 nanoparticles shows high ionic conductivity and stability and high cycle stability through a four-electron transfer process. —MSL

Abstract

A lithium-air battery based on lithium oxide (Li2O) formation can theoretically deliver an energy density that is comparable to that of gasoline. Lithium oxide formation involves a four-electron reaction that is more difficult to achieve than the one- and two-electron reaction processes that result in lithium superoxide (LiO2) and lithium peroxide (Li2O2), respectively. By using a composite polymer electrolyte based on Li10GeP2S12 nanoparticles embedded in a modified polyethylene oxide polymer matrix, we found that Li2O is the main product in a room temperature solid-state lithium-air battery. The battery is rechargeable for 1000 cycles with a low polarization gap and can operate at high rates. The four-electron reaction is enabled by a mixed ion–electron-conducting discharge product and its interface with air.

~ggl-vertaling

Citaat:

Nieuw ontwerp voor lithium-luchtbatterij zou een veel groter rijbereik kunnen bieden in vergelijking met de lithium-ionbatterij

Nieuwe batterijen zouden op een dag auto's, vliegtuigen en vrachtwagens kunnen aandrijven

Nieuwe, veiligere batterij, getest op duizend cycli in een testcel, kan veel meer energie opslaan dan de huidige gangbare lithium-ionbatterijen.

Schematisch toont een lithium-luchtbatterijcel bestaande uit een lithiummetaalanode, een op lucht gebaseerde kathode en een vaste keramische polymeerelektrolyt (CPE). Bij het ontladen en opladen gaan lithiumionen (Li+) van anode naar kathode en dan weer terug. (Afbeelding door Argonne National Laboratory.)

Veel bezitters van elektrische auto's hebben een batterijpakket gewild waarmee hun voertuig meer dan duizend mijl kan rijden op een enkele lading. Onderzoekers van het Illinois Institute of Technology (IIT) en het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) hebben een lithium-luchtbatterij ontwikkeld die die droom werkelijkheid zou kunnen maken. Het nieuwe batterijontwerp van het team zou op een dag ook binnenlandse vliegtuigen en langeafstandsvrachtwagens kunnen aandrijven.

Het belangrijkste nieuwe onderdeel in deze lithium-luchtbatterij is een vaste elektrolyt in plaats van de gebruikelijke vloeibare variant. Batterijen met vaste elektrolyten vallen niet onder het veiligheidsprobleem met de vloeibare elektrolyten die worden gebruikt in lithium-ionbatterijen en andere batterijtypes, die oververhit kunnen raken en vlam kunnen vatten.

Citaat:

"De lithium-luchtbatterij heeft de hoogste verwachte energiedichtheid van alle batterijtechnologieën die worden overwogen voor de volgende generatie batterijen naast lithium-ion." — Larry Curtiss, Argonne Distinguished Fellow

Wat nog belangrijker is, is dat de batterijchemie van het team met de vaste elektrolyt de energiedichtheid mogelijk tot wel vier keer kan verhogen ten opzichte van lithium-ionbatterijen, wat zich vertaalt in een groter rijbereik.

"Al meer dan een decennium hebben wetenschappers in Argonne en elders overuren gemaakt om een lithiumbatterij te ontwikkelen die gebruik maakt van de zuurstof in de lucht", zegt Larry Curtiss, een Argonne Distinguished Fellow. "De lithium-luchtbatterij heeft de hoogste verwachte energiedichtheid van alle batterijtechnologieën die worden overwogen voor de volgende generatie batterijen na lithium-ion."

In eerdere lithium-luchtontwerpen beweegt het lithium in een lithium-metaalanode door een vloeibare elektrolyt om tijdens de ontlading met zuurstof te combineren, wat lithiumperoxide (Li2O2) of superoxide (LiO2) aan de kathode oplevert. Het lithiumperoxide of superoxide wordt vervolgens tijdens het opladen weer afgebroken tot zijn lithium- en zuurstofcomponenten. Deze chemische volgorde slaat energie op en geeft deze weer vrij wanneer dat nodig is.

De nieuwe vaste elektrolyt van het team is samengesteld uit een keramisch polymeermateriaal gemaakt van relatief goedkope elementen in de vorm van nanodeeltjes. Deze nieuwe vaste stof maakt chemische reacties mogelijk die bij ontlading lithiumoxide (Li2O) produceren.

"De chemische reactie voor lithiumsuperoxide of -peroxide omvat slechts één of twee elektronen die per zuurstofmolecuul zijn opgeslagen, terwijl die voor lithiumoxide vier elektronen omvat", zei Argonne-chemicus Rachid Amine. Meer opgeslagen elektronen betekent een hogere energiedichtheid.

Het lithium-luchtontwerp van het team is de eerste lithium-luchtbatterij die een reactie van vier elektronen bij kamertemperatuur heeft bereikt. Het werkt ook met zuurstof die wordt aangevoerd door lucht uit de omgeving. De mogelijkheid om met lucht te werken, vermijdt de noodzaak van zuurstoftanks om te werken, een probleem met eerdere ontwerpen.

Het team gebruikte veel verschillende technieken om vast te stellen dat er daadwerkelijk een reactie van vier elektronen plaatsvond. Een sleuteltechniek was transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) van de ontladingsproducten op het kathodeoppervlak, die werd uitgevoerd in Argonne's Centre for Nanoscale Materials, een DOE Office of Science-gebruikersfaciliteit. De TEM-beelden gaven waardevol inzicht in het ontladingsmechanisme met vier elektronen.

Eerdere lithium-lucht-testcellen hadden last van een zeer korte levensduur. Het team stelde vast dat deze tekortkoming niet het geval is voor hun nieuwe batterijontwerp door een testcel te bouwen en te gebruiken voor 1000 cycli, waarmee de stabiliteit ervan bij herhaald opladen en ontladen wordt aangetoond.

"Met verdere ontwikkeling verwachten we dat ons nieuwe ontwerp voor de lithium-luchtbatterij ook een recordenergiedichtheid van 1200 wattuur per kilogram zal bereiken", aldus Curtiss. “Dat is bijna vier keer beter dan lithium-ionbatterijen.”

Dit onderzoek is gepubliceerd in een recent nummer van Science. Auteurs van Argonne zijn onder meer Larry Curtiss, Rachid Amine, Lei Yu, Jianguo Wen, Tongchao Liu, Hsien-Hau Wang, Paul C. Redfern, Christopher Johnson en Khalil Amine. Auteurs van IIT zijn onder meer Mohammad Asadi, Mohammadreza Esmaeilirad en Ahmad Mosen Harzandi. En auteurs van de University of Illinois Chicago zijn onder andere Reza Shahbazian-Yassar, Mahmoud Tamadoni Saray, Nannan Shan en Anh Ngo.

Het onderzoek werd gefinancierd door het DOE Vehicle Technologies Office en het Office of Basic Energy Sciences via het Joint Centre for Energy Storage Research.

En natuurlijk zwaar electrisch wegvervoer over lange afstanden. Ook e-autos (BEV) zouden dan lichter kunnen wegen dan vergelijkbare benzinewagens.