当为金属空气电池选择电解质时,不再需要反复试验

金属-空气电池因其特殊的重量能量密度而成为锂离子电池的接班人。它们有可能使电动汽车一次充电行驶1000英里或更长时间。

钾空气电池是碱-金属-空气电池家族中一个很有前途的新成员,它的理论重量能量密度是锂离子电池的三倍多。设计钾空气电池的一个关键挑战是选择合适的电解质,这种液体可以促进离子在阴极和阳极之间的转移。

Ramani

通常,选择电解质时使用的是一种基于经验法则的试错法,这些经验法则与几种电解质特性相关,然后对几种候选电解质进行详尽(且耗时)的测试,以确定是否达到了预期的性能。

来自圣路易斯华盛顿大学的研究人员,由罗马B.维贾伊·拉马尼(Vijay Ramani)和雷蒙德·h·维特科夫(Raymond H. Wittcoff)领导,他们是环境与科学领域的杰出教授目前,麦凯维工程学院(McKelvey School of Engineering)的研究人员已经展示了碱金属空气电池的电解质是如何通过一个简单、易于测量的参数来选择的。

他们的研究成果发表在7月10日的《美国国家科学院院刊》上。

Ramani的团队研究了电解质中盐和溶剂之间的基本相互作用,并展示了这些相互作用如何影响电池的整体性能。他们开发了一个新的参数,即“电化学”泰尔模量,这是一种衡量离子在电极表面传输和反应的容易程度的指标。

本研究首次将诺贝尔奖得主马库斯-嘘电子转移理论用于研究电解质组成对离子在电解质中的运动及其在电极表面的反应的影响。

随着溶剂重整能的增加,这种铁勒模量呈指数下降。溶剂重整能是一种改变溶解物溶剂化球体所需能量的量度。因此,溶剂重整能可用于高性能金属空气电池电解质的合理选择。没有更多的试错。

“我们开始试图更好地理解电解液对金属-空气电池系统中氧还原反应的影响,”拉曼尼团队的研究科学家、该研究的主要作者什里哈里·桑卡拉苏布拉曼尼亚(Shrihari Sankarasubramanian)说。“我们最终展示了离子在电解质中的扩散以及这些离子在电极表面的反应如何与打破溶解离子周围的溶剂化壳层所需的能量相关。”

Ramani说:“用一个参数描述溶剂化能与离子输运和表面反应动力学的关系是一个突破性的进展。”“这将使我们能够合理地开发用于金属空气电池的新型高性能电解质。”

乔舒亚·卡基(Joshua Kahky)是该研究的第二作者,他是能源、环境和化学工程系一名即将升入大三的学生。他在拉玛尼的实验室作为本科生暑期实习生帮助开展了这项研究。


华盛顿大学圣路易斯分校(Washington University in St. Louis)麦凯维工程学院(McKelvey School of Engineering)通过一种新的融合范式,专注于智力方面的努力,并以优势为基础,尤其是在医学与健康、能源与环境、创业与安全等领域。96.5终身/终身和33个额外的全职教员,1361名本科生,1291名研究生和21000名校友,我们正在利用我们的伙伴关系与学术和行业合作伙伴——跨学科和世界各地,为解决21世纪最伟大的全球性挑战。
在这项工作中报道的显微镜和红外光谱是在纳米研究机构进行的,该研究机构由国家科学基金会资助的赠款ECS-0335765。

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:https://source.wustl.edu/2019/07/no-more-trial-and-error-when-choosing-an-electrolyte-for-metal-air-batteries/

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