Forskere finder vej til at bygge kalium-ilt-batterier, der holder længere

Forskere har bygget en mere effektiv, mere pålideligt kalium-ilt batteri, et skridt mod en potentiel løsning til energilagring på landets elnet og længerevarende batterier i mobiltelefoner og bærbare computere.

I en undersøgelse offentliggjort fredag ​​i tidsskriftet Batterier og superkapsler , forskere fra Ohio State University detaljerede deres resultater centreret omkring konstruktionen af ​​batteriets katode, som lagrer energien produceret ved en kemisk reaktion i et metal-ilt- eller metal-luft-batteri. Fundet, siger forskerne, kunne gøre vedvarende energikilder som sol og vind mere levedygtige muligheder for elnettet gennem billigere, mere effektiv energilagring.

"Hvis du vil gå til en alt-fornyelig mulighed for elnettet, du har brug for økonomiske energilagringsenheder, der kan lagre overskydende strøm og give den strøm ud igen, når du ikke har kilden klar eller virker, " sagde Vishnu-Baba Sundaresan, medforfatter af studiet og professor i mekanik og rumfartsteknik ved Ohio State. "Teknologi som denne er nøglen, fordi det er billigt, den bruger ikke eksotiske materialer, og det kan laves overalt og fremme den lokale økonomi. "

Vedvarende energikilder udleder ikke kuldioxid, så de bidrager ikke til global opvarmning – men de giver kun energi, når solen skinner, eller vinden blæser. For at de kan være pålidelige strømkilder til en regions energinet, der skal være en måde at gemme overskydende energi fra solskin og vind.

Virksomheder, videnskabsmænd og regeringer over hele verden arbejder på lagerløsninger, lige fra lithium-ion-batterier-større versioner af dem i mange elbiler-til gigantiske batterier på størrelse med en storboksbutik fremstillet ved hjælp af metalvanadium.

Kalium-ilt-batterier har været et potentielt alternativ til energilagring, siden de blev opfundet i 2013. Et team af forskere fra Ohio State, ledet af kemiprofessor Yiying Wu, viste, at batterierne kunne være mere effektive end lithium-oxygen-batterier, samtidig med at de lagrede cirka dobbelt så meget energi som eksisterende lithium-ion-batterier. Men kalium-ilt-batterier har ikke været meget brugt til energilagring, fordi indtil nu, de har ikke været i stand til at genoplade nok gange til at være omkostningseffektive.

Da teams forsøgte at skabe et kalium-oxygen-batteri, der kunne være en levedygtig opbevaringsløsning, de blev ved med at løbe ind i en vejspærring:Batteriet blev forringet for hver opladning, aldrig længere end fem eller 10 opladningscyklusser - langt fra nok til at gøre batteriet til en omkostningseffektiv løsning til lagring af strøm. Denne nedbrydning skete, fordi ilt sneg sig ind i batteriets anode - det sted, hvor elektroner kan oplade en enhed, det være sig en mobiltelefon eller et elnet. Ilten fik anoden til at bryde ned, gør det så selve batteriet ikke længere kunne levere en opladning.

Paul Gilmore, en ph.d.-kandidat i Sundaresans laboratorium, begyndte at inkorporere polymerer i katoden for at se, om han måske kunne beskytte anoden mod ilt. Hvis han kunne finde en måde at gøre det på, han tænkte, det ville give kalium-ilt batterier et skud på længere levetid. Det viste sig, at han havde ret:Holdet indså, at hævelse i polymeren spillede en afgørende rolle for dens ydeevne. Nøglen, Gilmore sagde, fandt på en måde at bringe ilt ind i batteriet - nødvendigt for at det kunne fungere - uden at lade ilt sive ind i anoden.

Dette design fungerer lidt som menneskelige lunger:Luft kommer ind i batteriet gennem et fibrøst kulstoflag, møder derefter et andet lag, der er lidt mindre porøst og til sidst ender med et tredje lag, som slet ikke er porøs. Det tredje lag, lavet af den ledende polymer, tillader kaliumioner at bevæge sig gennem katoden, men begrænser molekylær oxygen i at komme til anoden. Designet betyder, at batteriet kan oplades mindst 125 gange-hvilket giver kalium-oxygen-batterier mere end 12 gange den levetid, de tidligere havde med billige elektrolytter.

Fundet viser, at dette er muligt, men teamets tests har ikke bevist, at batterierne kan laves i den skala, der er nødvendig til lagring af elnet, sagde Sundaresan. Imidlertid, det viser potentiale.

Gilmore sagde, at der også kan være potentiale for, at kalium-oxygen-batterier kan være nyttige i andre applikationer.

"Oxygenbatterier har højere energitæthed, hvilket betyder, at de kan forbedre rækkevidden af ​​elektriske køretøjer og batterilevetiden for bærbar elektronik, for eksempel, selvom andre udfordringer skal overvindes, før kalium-oxygen-batterier er levedygtige til disse applikationer, " han sagde.

Og opdagelsen tilbyder et alternativ til lithium-ion-batterier og andre, der er afhængige af kobolt, et materiale, der er blevet kaldt "batteriernes bloddiamant." Minedrift af materialet er så bekymrende, at store virksomheder, inklusive TESLA, har annonceret deres planer om at fjerne det fra batterier helt.

"Det er meget vigtigt, at batterier beregnet til store applikationer ikke bruger kobolt, " sagde Sundaresan.

Og det er også vigtigt, at batteriet kan laves billigt. Lithium-ilt-batterier - en mulig energilagringsløsning, der i vid udstrækning anses for at være en af ​​de mest levedygtige muligheder - kan være dyre, og mange er afhængige af knappe ressourcer, inklusive kobolt. De lithium-ion-batterier, der driver mange elbiler, koster omkring 100 dollars pr. kilowatttime på materialeniveau.

Forskerne estimerede, at dette kalium-ilt-batteri vil koste omkring $44 per kilowatttime.

"Når det kommer til batterier, en størrelse passer ikke til alle, "Sagde Sundaresan." For kalium-oxygen og lithium-oxygen batterier, omkostningerne har været uoverkommelige at bruge dem som backup af netstrøm. Men nu hvor vi har vist, at vi kan lave et så billigt og stabilt batteri, så får den den til at konkurrere med andre teknologier til backup af netstrøm.

"Hvis du har et lille batteri, der er billigt, så kan du tale om at skalere det op. Hvis du har et lille batteri, der er $ 1, 000 pr. pop, så er det bare ikke muligt at opskalere det. Dette åbner døren for opskalering."