电动飞机用锂空气电池电解质稳定性监测

改用电力运输是减少CO的一种方法₂排放及其对气候的负面影响。锂空气电池可以在这一转变中发挥重要作用，因为它们有潜力提供已知的最高理论能量密度(3400 Wh/kg)。锂-空气电池的发展需要高度稳定的电解质，在操作条件下耐分解。Donald Dornbusch博士，Rocco Viggiano博士和瓦迪姆博士从美国宇航局Lvovich使用监测技术,利用电化学阻抗谱(EIS)和核磁共振(NMR)了解电解质的模式的退化和开发高度稳定的电池组件的总体目标提高锂空气电池的充电周期数。

电动飞机是NASA绿色航空计划的前进方向;该项目旨在改变全球运输系统，并应对未来航空航天任务的能源储存挑战。

NASA需要新的电池材料来实现其愿景，而锂-空气有潜力提供已知的最高理论能量密度(3400 Wh/kg)的电池。在物理学中，能量密度是给定系统每单位质量存储的能量。换句话说，与同等质量但能量密度较低的电池相比，给定质量且能量密度较高的电池将推动汽车行驶得更快更远。相比之下，锂离子电池的能量密度为100-265 Wh/kg，不到锂-空气电池理论上能达到的能量密度的10%。锂空气电池使用阳极(正极)的锂氧化和阴极(负极)的氧还原。当被还原时，氧获得了锂在氧化过程中失去的电子，这个电子转移将引发电流。大规模、超高能量、可充电、安全的锂-空气电池的发展需要在操作条件下不分解的高度稳定的电解质。

研究人员需要了解电解质分解模式，以优化比能更高的锂-空气电池的设计原则。一个以nasa为基地的跨组织专家团队结合了基础化学分析、先进材料科学、电池开发、和超级计算机模型的组装，以解决为先进的超高能量电池确定新型电解质组件的挑战性问题，以满足NASA任务和陆地运输的能量存储挑战。

来自美国宇航局约翰·h·格伦研究中心的研究人员包括Vadim Lvovich博士、Rocco Viggiano博士和Donald Dornbusch博士。该团队使用了一种名为电化学阻抗谱(EIS)和核磁共振(NMR)的技术，监测在电极上发生的化学反应，防止和对比分解产物的形成，这可能会影响锂空气电池的效率和充电循环次数。EIS允许科学家研究电化学系统的功能，通过施加电激励信号并监测由此产生的电流变化。核磁共振是一项非常敏感的技术，它利用强磁场来识别溶液中分子的存在和结构完整性。研究小组使用核磁共振鉴定电解液分解产生的分子。

锂空气电池电极上的反应
该团队最近的论文(Dornbusch, D et al 2020)描述了锂-氧电池的能量产生是一个多步骤过程，包括三个阶段——气态(氧)、液态(锂离子电解质)和固态(碳阴极)。溶解在电解液中的氧将与碳电极多孔表面内的锂离子发生反应，生成过氧化锂(Li₂O₂）.在此过程中，碳酸锂(Li₂有限公司_3.)，作为副产物形成，在电极表面积聚，降低电池效率，导致电解液分解。

最近的研究还描述了空气正极材料和结构对电池性能的重要作用。比表面积和最佳孔隙度对于保持高能量和实现高能量都很重要。相同孔隙率但不同孔径分布的电极由于钝化而表现出不同的性能。例如，大孔径电极的低表面积会导致更严重的电极钝化。同样，由于有机电解质的分解，阴极形貌的退化会导致锂空气电池效率和寿命的严重下降。

更高能量密度的电池将大大改变我们未来的交通需求，允许绿色技术的发展。

新型候选电解质的设计标准
在他们的研究中，NASA团队明确了锂-空气电池的新型有机电解质的选择标准，强调了一种能够溶解高摩尔浓度的锂盐、氧和氧自由基的介质的重要性。这是因为在阴极表面发生反应需要锂离子和溶解氧。此外，电解液添加剂可以用来修饰阴极表面发生的化学反应。例如，硝酸锂添加剂已被证明可以促进基于溶液的氧还原方法，从而提高电池的循环寿命。稳定的电解质还需要极性原子与锂离子配位，具有高蒸气压和高施主数。

在三种测试电池条件下进行EIS测量:电池组装后，电池放电后，电池完全充电后。用质子核磁共振光谱法测定了电解质的分解状态。用于核磁共振分析的样品是在与EIS测量相同的三种相应的细胞条件下采集的(初始、放电和充电)。

电解质候选人是由于其锂和氧的溶解度，高极性和预期的高稳定性，这是上述锂氧化学的理想特征。理想情况下，锂氧的合适溶剂应该具有高蒸气压，以防止快速蒸发。

从简单的N,N-二甲基乙酰胺(DMA)和尿素四甲基脲(TMU)的变体中选择产生的电解质候选。用0.5M双(三氟甲烷)磺酰亚胺锂(LiTFSI)和0.5M硝酸锂(LiNO)的混合物制备电解质溶液_3.）.

一个强大的工具，以帮助发展先进的电池组件
美国宇航局的研究人员得出结论，尿素化合物的分解程度比乙酰胺大得多。N,N-二甲基吡戊酰胺(TMDMA)是TMA的一个空间位阻衍生物，最稳定，其次是DMA。DMA及其衍生物的核磁共振波谱显示出未受污染的峰，与文献数据库吻合较好。尿素衍生的候选化合物具有对应甲醇、乙酸和甲羟胺的降解峰，而乙酰酰胺以甲醇为主。结果表明，EIS和NMR数据对电解质降解程度的经验一致，支持细胞循环性能。

开发功能稳定的新型电解质是锂氧电池研究的主要目标之一。对于锂氧化学而言，EIS和NMR的结合为分析反复放电和再充电循环中发生的分解反应提供了一个强有力的工具，使研究人员能够选择最稳定的电解质。锂氧电池的化学环境具有很强的腐蚀性，导致每次循环充电电位都依次升高，电解质降解加速，最终导致电池循环寿命缩短。

转向电力运输有可能使我们对化石燃料的消耗最小化，从而减少一氧化碳₂排放及其对气候变化的负面影响。美国宇航局研究人员开发的EIS/NMR分析方法将用于开发先进的电池组件，如优化设计的电解质和阴极，具有良好的结构，以提供更高的比能量和更长的电池循环寿命。更高能量密度的电池将大大改变我们未来的交通需求，使绿色技术的发展，如电动飞机和高性能电动汽车。