Lavpris batteri fra affaldsgrafit

Lithium-ion-batterier er brandfarlige, og prisen på råvaren stiger. Er der alternativer? Ja:Empa og ETH Zürich-forskere har opdaget lovende tilgange til, hvordan vi kan producere batterier af affaldsgrafit og metalskrot.

Kostiantyn Kravchyk arbejder i gruppen af ​​Maksym Kovalenko. Denne forskergruppe er baseret på både ETH Zürich og i Empa's Laboratory for Thin Films and Photovoltaics. De to forskeres ambitiøse mål i Empa-afdelingen er at lave et batteri af de mest almindelige grundstoffer i jordskorpen – såsom magnesium eller aluminium. Disse metaller tilbyder en høj grad af sikkerhed, også selvom anoden er lavet af rent metal. Dette giver også mulighed for at samle batterierne på en meget enkel og billig måde og for hurtigt at opskalere produktionen.

For at få sådanne batterier til at køre, den flydende elektrolyt skal bestå af specielle ioner, der ikke krystalliserer ved stuetemperatur - altså danner en slags smelte. Metalionerne bevæger sig frem og tilbage mellem katoden og anoden i denne "kolde smelte", indkapslet i en tyk kappe af chloridioner. Alternativt store, men lette organiske anioner, som er metalfri, kunne bruges. Dette kommer med et problem, dog:hvor skal disse "tykke" ioner hen, når batteriet er opladet? Hvad kunne være et egnet katodemateriale? Til sammenligning:i lithium-ion-batterier, katoden er lavet af et metaloxid, som nemt kan absorbere de små lithiumkationer under opladning. Dette virker ikke for så store ioner, imidlertid. Ud over, disse store anioner har en modsat ladning til lithiumkationerne.

For at løse problemet, Kovalenkos hold havde et trick i ærmet:Forskerne vendte princippet om lithium-ion-batteriet på hovedet. I konventionelle Li-ion batterier, anoden (den negative pol) er lavet af grafit, hvis lag (i ladet tilstand) indeholder lithium-ionerne. I Kovalenkos batteri, tværtimod, grafitten bruges som katode (den positive pol). De tykke anioner aflejres mellem grafenlagene. I Kovalenkos batteri, anoden er lavet af metal.

Kravchyk gjorde en bemærkelsesværdig opdagelse, mens han ledte efter den "rigtige" grafit:Han fandt ud af, at affaldsgrafit produceret i stålproduktion, benævnt "kish grafit", giver et fantastisk katodemateriale. Naturlig grafit fungerer også lige så godt – hvis den leveres i grove flager og ikke malet for fint eller i foldede, ikke-flage former. Årsagen:grafitlagene er åbne i flagernes kanter, og de tykke anioner kan dermed lettere glide ind i strukturen. Den finmalede grafit, der normalt bruges i lithium-ion-batterier, imidlertid, er dårligt egnet til Kovalenkos batteri. Ved at male grafitpartiklerne, lagene bliver krøllede som sammenkrøllet papir. Kun små lithium-ioner er i stand til at trænge igennem denne krøllede grafit, ikke det nye batteris tykke anioner.

Grafitkatodebatteriet konstrueret af stålproduktion "kish graphite" eller rå, naturlige grafitflager har potentialet til at blive yderst omkostningseffektive. Og hvis de første eksperimenter er noget at gå efter, det er også langtidsholdbart. I flere måneder, et laboratoriesystem overlevede tusindvis af opladnings- og afladningscyklusser. "Aluminiumchlorid-grafit katodebatteriet kunne holde årtier i daglig husholdningsbrug, " forklarer Kravchyk og tilføjer "lignende demonstrationer, men yderligere øgede batterispændinger, uden at gå på kompromis med kapaciteten, og af endnu lettere elementer er på vej og vil tilbyde yderligere stigning i energitætheder fra nuværende 60 Wh kg-1 til over 150 Wh kg-1"