# Lithium-luchtbatterij

Om in een batterij zoveel mogelijk lading op te slaan in zo weinig mogelijk massa, worden batterijen ontworpen waarin zuurstof uit de lucht als oxidator optreedt. In zo’n batterij is dan alleen de reductor opgeslagen.
De eigenschappen van de reductor bepalen dan in hoge mate de ladingsdichtheid. Ladingsdichtheid is gedefinieerd als de hoeveelheid lading per massa-eenheid. De aluminium-luchtbatterij is bijvoorbeeld al verkrijgbaar en veel onderzoek wordt verricht aan de lithium-luchtbatterij.

In figuur 1 is een lithium-luchtbatterij schematisch weergegeven.
In deze opgave worden eerst de elektroden en dan het membraan besproken.

I de elektroden
Op het grensvlak van het lithium en het membraan verloopt bij stroomlevering halfreactie 1.

Li → Li+ + e– (halfreactie 1)

Een onderzoeksgroep heeft voor de poreuze elektrode een elektrode-materiaal ontwikkeld op basis van een polymeer. In het materiaal zijn katalysatordeeltjes aanwezig, die de omzetting van zuurstof katalyseren.
Bij deze omzetting wordt onder andere het O2–-ion gevormd.
Dit ion is erg reactief en tast organische oplosmiddelen en membranen aan.
Een van beide atomen in het O2–-ion voldoet niet aan de oktetregel.

De katalysator die door de onderzoeksgroep werd gebruikt, is erg duur en door de vele bijreacties raakte het elektrodemateriaal snel beschadigd.
Een andere onderzoeksgroep heeft een elektrodemateriaal ontwikkeld op basis van een eiwit. Dit materiaal bleek de genoemde nadelen minder te vertonen.
De eerste stappen in de productie van dit materiaal waren globaal als volgt:
– Het DNA van een virus wordt gemodificeerd.
– Het virus produceert een eiwit.
– Aan een oplossing van dit eiwit wordt in licht basisch milieu een oplossing met daarin Mn2+-ionen toegevoegd.
De Mn2+-ionen binden aan de peptideketens door middel van ion-bindingen.
De onderzoekers hebben de genetische code voor het eiwit veranderd met als doel dat de peptideketens meer Mn2+-ionen konden binden.
Hieronder zijn met behulp van de 1-lettersymbolen van aminozuren de volgordes weergegeven van de aminozuureenheden in een deel van het oorspronkelijke eiwit en in een deel van het genetisch gemodificeerde eiwit.

peptideketen A ~ADVYESALPDPAKAAFN~
peptideketen B ~ADVYESALPDPAEAAFE~

II het membraan
Het membraan in de lithium-luchtbatterij is een composiet die bestaat uit een polymeer en een zogeheten ionische vloeistof.
Een ionische vloeistof is een zout dat bij kamertemperatuur vloeibaar is. Hiernaast is een van de aanwezige ionen van het gebruikte zout weergegeven. De lading van het ion is hierbij weggelaten.

Als polymeer voor het membraan gebruikten de onderzoekers het copolymeer PVDF-HFP. Dit copolymeer is door polyadditie ontstaan uit 1,1-difluoretheen en hexafluorpropeen.

Als polymeer voor het membraan gebruikten de onderzoekers het copolymeer PVDF-HFP. Dit copolymeer is door polyadditie ontstaan uit 1,1-difluoretheen en hexafluorpropeen.

Het lithium in de batterij mag niet in contact komen met lucht of water.
Het membraan moet daarom heel precies in vorm worden gebracht.
Een materiaal kan op twee manieren in vorm worden gebracht:
1 door het te smelten, waarna het in een mal kan worden gespoten;
2 door bewerkingen, zoals snijden en slijpen.

De totaalvergelijking van de omzettingen die verlopen in de lithium-luchtbatterij is hieronder weergegeven.
2 Li + O2 → Li2O2
Omdat de lithium-luchtbatterij oplaadbaar is, kan deze batterij worden gebruikt in bijvoorbeeld een auto. Het nuttig rendement bij de omzetting van chemische energie naar bewegingsenergie is hierbij 70%. De rest van de energie gaat verloren aan warmteontwikkeling en wrijving. De onderzoekers hebben een lithium-luchtbatterij gemaakt die 45 g lithium bevatte.

De vormingswarmte van Li2O2 is –6,43∙105 J mol–1.

video-uitleg https://youtu.be/9uMk8mlShak

samenvatting alle leerstof https://youtu.be/OnZGLbYguBQ