金属 - 空气电池由于其特殊的重量能量密度而被认为是锂离子电池的后继产品。它们可能使电动汽车一次充电可行驶数千英里或更远。

碱金属 - 空气电池系列的一个有希望的新成员是钾 - 空气电池,其具有超过锂离子电池的理论重量能量密度的三倍。设计钾 - 空气电池的关键挑战是选择合适的电解质,这种液体促进阴极和阳极之间的离子转移。

通常,使用基于经验法则的试错方法选择电解质,该方法将几种电解质性质相关联,然后对几种电解质候选物进行详尽(和耗时)测试,以查看是否达到了所需的性能。

来自圣路易斯华盛顿大学的研究人员,由McKelvey工程学院的Roma B.和Raymond H. Wittcoff环境与能源杰出教授Vijay Ramani领导,现在已经展示了如何选择碱金属空气电池的电解质使用一个易于测量的参数。

他们的工作于7月8日发表在“ 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整体电池性能。他们开发了一种新的参数,即“电化学”Thiele模量,一种衡量离子向电极表面传输和反应的容易程度。

这项研究首次证明了诺贝尔奖获得者Marcus-Hush电子转移理论首次用于研究电解质成分对离子通过电解质的运动的影响,以及它们在电极表面的反应。

随着溶剂重组能量的增加,这种Thiele模量显示出指数下降 - 这是改变溶解物质溶剂化球所需能量的量度。因此,溶剂重组能量可用于合理地选择用于高性能金属 - 空气电池的电解质。没有更多的反复试验。

“我们开始试图更好地了解电解液对金属 - 空气电池系统中氧还原反应的影响,”Ramani团队的研究科学家,该研究的第一作者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上的反应如何与破坏溶解离子周围的溶剂化壳所需的能量相关联。”

“显示溶剂化能量的单个参数描述符如何与离子传输和表面反应动力学相关联是一个突破性进展,”拉马尼说。“这将使我们能够合理地开发出用于金属空气电池的新型高性能电解液。”