Ikke-giftig prototype af saltvandsbatteri kan oplades på få sekunder

En batteriprototype er designet med saltvand og materialer, der er giftfri og oplades hurtigt, baner vejen for nye batterityper.

Designprincipperne bag den nye prototype, som ændrer farve, når den oplades, kunne også anvendes på eksisterende batteriteknologier til at skabe nye enheder til energilagring, biologisk sansning, og smarte farveændrende materialer.

De mest udbredte batterier er i øjeblikket lithium-ion-batterier, som har en relativt høj kapacitet (de holder en stor mængde ladning), men ikke aflader eller oplader deres energi hurtigt. De indeholder også organiske elektrolytter og andre materialer, der kan være farlige og brandfarlige, hvilket betyder, at de kræver omhyggelig håndtering og bortskaffelse.

Den nye batteriprototype, udviklet af et team af forskere fra afdelingerne for fysik og kemi ved Imperial College London, bruger i stedet tynde film af specialdesignet plast og simpelt saltvand.

Selvom den kan holde mindre opladning end konventionelle lithium-ion-batterier, prototypen, som er fremstillet af polymerer - lange kæder af molekyler, der udgør plast - kan oplades og udlades på få sekunder. Som en ekstra fordel ved de materialer, den bruger, det ændrer også farve, når det oplades, giver brugerne en let måde at aflæse batteriets opladningstilstand.

Prototypen, hvis detaljer blev offentliggjort i Energi- og miljøvidenskab , kunne bane vejen for forbedring af eksisterende batteriers opladningshastighed og toksicitet, eller give en rute til fremstilling af helt nye slags batterier.

Udvikling af genanvendelige batterier

Medforfatter Dr.Alexander Giovannitti, der arbejdede på projektet på afdelingerne for fysik og kemi på Imperial, sagde:"De materialer, vi brugte til at skabe batteriprototypen, kunne potentielt laves til en lav pris og kombineres med brugen af ​​ikke-giftige og ikke-brændbare vandbaserede elektrolytter. Denne fremgangsmåde kan være en levedygtig vej til udvikling af genanvendelige batterier."

Batterier med hurtigere opladningstid men lavere kapacitet kan have en række applikationer, hvor energi skal udveksles hurtigt, men batterierne ikke behøver at være små, f.eks. når energi fra bilbremsning bruges øjeblikke senere til at accelerere køretøjet.

I større skala, når vedvarende teknologi som sol eller vind bruges som en del af et nationalt eller lokalt net, de kan kun levere energi med mellemrum. Et batterisystem, der hurtigt kunne lagre denne energi, men giv det også tilbage til nettet, når det er nødvendigt, ville være værdifuldt for at holde udbuddet stabilt.

Teamet siger, at deres prototype ville have brug for mere arbejde for at passe til disse områder, men at principperne bag dets design kunne være gældende for en lang række energilagringsenheder under udvikling.

Design af nye materialer

Polymermaterialer er blevet brugt med succes i batterier før, som tilsætningsstoffer for at give fleksibilitet eller som elektrolytter, der adskiller positive og negative elektroder, men deres anvendelse som aktive materialer i batterielektroder, der fungerer i vand, har vist sig at være udfordrende.

Gennembruddet kommer fra designet af polymermaterialer, der kan optage og frigive positive eller negative ioner fra saltvand, hurtigt og reversibelt uden at forringe. Disse ioner tiltrækkes af elektroder med modsat ladning, når enheden oplades.

Vandbaserede batterier er ønskelige på grund af deres ikke-toksicitet, men det har været svært at få ionerne i vand til at blive udskifteligt reversibelt med elektroderne.

Holdet kom uden om dette ved at designe sidekæder til at fastgøre til den ledende polymer 'rygrad'. Ved at bruge polære materialer til sidekæderne, de kunne skabe elektroder med høj affinitet til vand.

Med dette princip kunne de skabe positive og negative elektroder, der kan rumme deres modsatte ioner fra vandet - og de havde ingredienserne til et batteri. Da polymerrygderne allerede var fleksible - ekspanderede og trak sig sammen, mens batteriet var opladet og afladet - var der ikke behov for tilsætningsstoffer.

Medforfatter Dr. Davide Moia, der afsluttede arbejdet, mens han var på Institut for Fysik på Imperial, sagde:"Brug af saltvand slipper af med toksicitet og brandbarhed, men det har ikke været let at bruge, da det kan begrænse mængden af ​​energi, du kan komme ind og ud af en enhed i forhold til andre organiske elektrolytter.

"Vi vil nu teste, hvor langt denne grænse kan skubbes. Vi har kompenseret for lavere ydeevne med en sikrere kombination af materialer, men forbedring af ydeevnen kan åbne vejen til helt nye typer levedygtige energilagringsenheder, der også er sikre og bæredygtige. "