Forlænger levetiden for lavpris, kompakt, letvægts batterier

Metal-luft-batterier er en af ​​de letteste og mest kompakte typer batterier, der findes, men de kan have en stor begrænsning:Når de ikke er i brug, de nedbrydes hurtigt, da korrosion tærer på deres metalelektroder. Nu, MIT forskere har fundet en måde at reducere denne korrosion væsentligt, gør det muligt for sådanne batterier at have meget længere holdbarhed.

Mens typiske genopladelige lithium-ion-batterier kun mister omkring 5 procent af deres opladning efter en måneds opbevaring, de er for dyre, omfangsrig, eller tung til mange anvendelser. Primære (ikke-genopladelige) aluminium-luftbatterier er meget billigere og mere kompakte og lette, men de kan miste 80 procent af deres afgift om måneden.

MIT-designet overvinder problemet med korrosion i aluminium-luft-batterier ved at indføre en oliebarriere mellem aluminiumselektroden og elektrolytten - væsken mellem de to batterielektroder, der tærer på aluminiumet, når batteriet er på standby. Olien pumpes hurtigt væk og erstattes med elektrolyt, så snart batteriet er brugt. Som resultat, energitabet reduceres til kun 0,02 procent om måneden - mere end en tusindfold forbedring.

Resultaterne rapporteres i dag i tidsskriftet Videnskab af tidligere MIT kandidatstuderende Brandon J. Hopkins '18, W.M. Keck professor i energi Yang Shao-Horn, og professor i maskinteknik Douglas P. Hart.

Mens flere andre metoder er blevet brugt til at forlænge holdbarheden af ​​metal-luft-batterier (som kan bruge andre metaller såsom natrium, lithium, magnesium, zink, eller jern), disse metoder kan ofre ydeevne Hopkins siger. De fleste af de andre tilgange involverer at erstatte elektrolytten med en anden, mindre ætsende kemisk formulering, men disse alternativer reducerer batteristrømmen drastisk.

Andre metoder involverer at pumpe den flydende elektrolyt ud under opbevaring og tilbage før brug. Disse metoder muliggør stadig betydelig korrosion og kan tilstoppe VVS-systemer i batteripakken. Fordi aluminium er hydrofilt (vandtiltrækkende), selv efter at elektrolytten er drænet ud af pakken, den resterende elektrolyt klæber sig til aluminiumselektrodeoverfladerne. "Batterierne har komplekse strukturer, så der er mange hjørner for elektrolyt at blive fanget i, "hvilket resulterer i fortsat korrosion, Hopkins forklarer.

En nøgle til det nye system er en tynd membran placeret mellem batterielektroderne. Når batteriet er i brug, begge sider af membranen er fyldt med en flydende elektrolyt, men når batteriet er sat på standby, olie pumpes ind i den side, der er tættest på aluminiumselektroden, som beskytter aluminiumsoverfladen mod elektrolytten på den anden side af membranen.

Det nye batterisystem udnytter også en egenskab ved aluminium kaldet "undervands-oleofobicitet" - dvs. når aluminium er nedsænket i vand, det afviser olie fra overfladen. Som resultat, når batteriet genaktiveres og elektrolytten pumpes tilbage, elektrolytten fortrænger let olien fra aluminiumsoverfladen, som genopretter batteriets strømkapacitet. Ironisk, MIT-metoden til korrosionsundertrykkelse udnytter den samme egenskab af aluminium, som fremmer korrosion i konventionelle systemer.

Resultatet er en aluminium-luft-prototype med en meget længere holdbarhed end konventionelle aluminium-luft-batterier. Forskerne viste, at når batteriet gentagne gange blev brugt og derefter sat på standby i en til to dage, MIT-designet varede 24 dage, mens det konventionelle design kun holdt til tre. Selv når olie og et pumpesystem er inkluderet i opskalerede primære aluminium-luft batteripakker, de er stadig fem gange lettere og dobbelt så kompakte som genopladelige lithium-ion batteripakker til elektriske køretøjer, rapporterer forskerne.

Hart forklarer, at aluminium, udover at være meget billig, er et af de "lagermaterialer med den højeste kemiske energitæthed, vi kender til" - dvs. den er i stand til at lagre og levere mere energi pr. pund end næsten noget andet, med kun brom, som er dyre og farlige, være sammenlignelige. Han siger, at mange eksperter mener, at aluminium-luft-batterier kan være den eneste levedygtige erstatning for lithium-ion-batterier og for benzin i biler.

Luftbatterier af aluminium er blevet brugt som rækkeviddeforlængere til elektriske køretøjer som supplement til indbyggede genopladelige batterier, at tilføje mange ekstra kilometers kørsel, når det indbyggede batteri løber tør. De bruges også nogle gange som strømkilder på fjerntliggende steder eller til nogle undervandsfartøjer. Men selv om sådanne batterier kan opbevares i lange perioder, så længe de er ubrugte, så snart de tændes for første gang, de begynder at nedbrydes hurtigt.

Sådanne applikationer kunne have stor gavn af dette nye system, Hart forklarer, fordi med de eksisterende versioner, "du kan ikke rigtig lukke den. Du kan skylle den og forsinke processen, men du kan ikke rigtig lukke den af." hvis det nye system blev brugt, for eksempel, som rækkeviddeforlænger i en bil, "du kunne bruge det og derefter køre ind i din indkørsel og parkere det i en måned, og kom så tilbage og forvent stadig, at den har et brugbart batteri. ... Jeg synes virkelig, at dette er en game-changer i forhold til brugen af ​​disse batterier."

Med den længere holdbarhed, der kunne opnås med dette nye system, brugen af ​​aluminium-luftbatterier kan "strække sig ud over de nuværende nicheapplikationer, " siger Hopkins. Holdet har allerede ansøgt om patenter på processen.