Baterie litowo-powietrzne mogą przewyższyć tradycyjne akumulatory litowo-jonowe, przechowując znacznie więcej energii przy tej samej wadze. Jednak ich wysokie wyniki wydajnościowe pozostawały dotąd teoretyczne, a ich żywotność była zbyt krótka. Teraz chiński zespół zaproponował dodanie rozpuszczalnego katalizatora do elektrolitu. Działa on jako mediator redoks, ułatwiając transport ładunku i zapobiegając pasywacji elektrod.
W odróżnieniu od akumulatorów litowo-jonowych, w których jony litu „przemieszczają się” między dwoma elektrodami, akumulatory litowo-powietrzne (Li-O2) używają anody z metalu litu. Podczas pracy akumulatora dodatnio naładowane jony litu rozpuszczają się i przemieszczają na porowaty katod, przez który przepływa powietrze. Tlen ulega oksydacji i łączy się w nadtlenek litu (Li2O2). Podczas ładowania tlen jest uwalniany, a jony litu są redukowane z powrotem do metalowego litu, który osadza się z powrotem na anodzie. Niestety, teoretycznie wysoka wydajność tych baterii nie stała się jeszcze rzeczywistością.
W praktyce efekt znany jako nadnapięcie spowalnia reakcje elektrochemiczne: tworzenie i rozkład nierozpuszczalnego Li2O2 są powolne, a jego przewodność jest również bardzo niska. Ponadto pory katody mają tendencję do zatykania się, a wysoki potencjał wymagany do tworzenia tlenu rozkłada elektrolit i sprzyja powstawaniu niepożądanych reakcji ubocznych. W efekcie akumulatory tracą dużą część swojej wydajności już po kilku cyklach ładowania/rozładowania.
Zespół kierowany przez Zhong-Shuai Wu z Daliańskiego Instytutu Chemii Fizycznej CAS, współpracujący z Xiangkun Ma z Daliańskiego Uniwersytetu Morskiego, zaproponował dodanie nowej soli jodkowej imidazolu (jodkowy 1,3-dimetyloimidazolium, DMII), która ma działać jako katalizator i mediator redoks, aby zwiększyć wydajność i żywotność akumulatorów.
Jony jodkowe (I−) w soli mogą łatwo reagować z formą I3−, a następnie ponownie wrócić (para redoks). W tym procesie przenoszą one elektrony na tlen (podczas rozładowania) i zabierają je z powrotem (podczas ładowania). Ułatwia to transport ładunku, przyspiesza reakcje, zmniejsza nadnapięcie katody i zwiększa pojemność rozładowania ogniwa elektrochemicznego. Jony soli DMI zawierają pierścień składający się z trzech atomów węgla i dwóch azotów.
Pierścień ten ma swobodnie poruszające się elektrony i może „przechwytywać” jony litu podczas rozładowania i skutecznie przekazywać je tlenowi na katodzie. Ponadto jony DMI tworzą na anodzie ultra-cienką, ale bardzo stabilną warstwę interfejsową, która zapobiega bezpośredniemu kontaktowi elektrolitu z powierzchnią litu, minimalizując rozkład elektrolitu i zapobiegając reakcjom ubocznym. Stabilizuje to anodę i wydłuża żywotność akumulatora.
Elementy testowe elektrochemiczne wykonane przez zespół wykazały bardzo dobre wyniki, pokazując bardzo niskie nadnapięcie (0,52 V), wysoką stabilność cyklu przez 960 godzin i wysoko odwracalną formację/rozpad Li2O2 bez reakcji ubocznych.