Et nyt koncept kunne gøre mere miljøvenlige batterier mulige

Et nyt koncept for et aluminiumsbatteri har dobbelt så stor energitæthed som tidligere versioner, er lavet af rigelige materialer, og kan føre til reducerede produktionsomkostninger og miljøbelastning. Idéen har potentiale til anvendelse i stor skala, herunder lagring af sol- og vindenergi. Forskere fra Chalmers Tekniske Universitet, Sverige, og National Institute of Chemistry, Slovenien, står bag ideen.

Brug af aluminiumsbatteriteknologi kan give flere fordele, inklusive en høj teoretisk energitæthed, og det faktum, at der allerede eksisterer en etableret industri for fremstilling og genanvendelse. Sammenlignet med nutidens lithium-ion-batterier, forskernes nye koncept kan resultere i markant lavere produktionsomkostninger.

"De materialeomkostninger og miljøpåvirkninger, som vi forudser fra vores nye koncept, er meget lavere end det, vi ser i dag, gør dem mulige til storstilet brug, såsom solcelleparker, eller lagring af vindenergi, for eksempel, siger Patrik Johansson, professor ved Institut for Fysik på Chalmers.

"Desuden vores nye batterikoncept har dobbelt så stor energitæthed sammenlignet med de aluminiumsbatterier, der er state-of-the-art i dag."

Tidligere designs til aluminiumsbatterier har brugt aluminium som anode (den negative elektrode) og grafit som katode (den positive elektrode). Men grafit giver et for lavt energiindhold til at skabe battericeller med tilstrækkelig ydeevne til at være nyttige.

Men i det nye koncept, præsenteret af Patrik Johansson og Chalmers, sammen med en forskningsgruppe i Ljubljana ledet af Robert Dominko, grafitten er blevet erstattet af en organisk, nanostruktureret katode, lavet af det kulstofbaserede molekyle anthraquinon.

Anthraquinon katoden er blevet omfattende udviklet af Jan Bitenc, tidligere gæsteforsker på Chalmers fra gruppen ved National Institute of Chemistry i Slovenien.

Fordelen ved dette organiske molekyle i katodematerialet er, at det muliggør lagring af positive ladningsbærere fra elektrolytten, opløsningen, hvori ioner bevæger sig mellem elektroderne, som muliggør højere energitæthed i batteriet.

"Fordi det nye katodemateriale gør det muligt at bruge en mere passende ladningsbærer, batterierne kan udnytte aluminiums potentiale bedre. Nu, vi fortsætter arbejdet ved at lede efter en endnu bedre elektrolyt. Den nuværende version indeholder klor - det vil vi gerne slippe af med, " siger Chalmers-forsker Niklas Lindahl, der studerer de interne mekanismer, der styrer energilagring.

Indtil nu, der er ingen kommercielt tilgængelige aluminiumsbatterier, og selv i forskningsverdenen er de relativt nye. Spørgsmålet er, om aluminiumsbatterier i sidste ende kunne erstatte lithium-ion-batterier.

"Selvfølgelig, vi håber, at de kan. Men frem for alt, de kan være komplementære, at sikre, at lithium-ion-batterier kun bruges, hvor det er strengt nødvendigt. Indtil nu, aluminiumsbatterier er kun halvt så energitætte som lithium-ion-batterier, men vores langsigtede mål er at opnå samme energitæthed. Der er stadig arbejde at gøre med elektrolytten, og med at udvikle bedre opladningsmekanismer, men aluminium er i princippet en væsentligt bedre ladningsbærer end lithium, da det er multivalent - hvilket betyder, at hver ion 'kompenserer' for flere elektroner. Desuden, batterierne har potentiale til at være væsentligt mindre miljøskadelige, siger Patrik Johansson.

"Koncept og elektrokemisk mekanisme for et Al-metalanode-organisk katodebatteri" er offentliggjort i tidsskriftet Energilagringsmaterialer .