Nyt vandigt lithium-ion-batteri forbedrer sikkerheden uden at ofre ydeevnen

Som de lithium-ion-batterier, der driver de fleste telefoner, bærbare computere, og elektriske køretøjer bliver i stigende grad hurtigopladede og højtydende, de bliver også stadig dyrere og mere brandfarlige.

I forskning offentliggjort for nylig i Energy Storage Materials, et team af ingeniører ved Rensselaer Polytechnic Institute demonstrerede, hvordan de – ved at bruge vandige elektrolytter i stedet for de typiske organiske elektrolytter – kunne samle en væsentligt sikrere, omkostningseffektivt batteri, der stadig yder godt.

Hvis du skulle tage et kig ind i et batteri, du ville finde to elektroder - en anode og en katode. Disse elektroder er nedsænket i en flydende elektrolyt, der leder ioner, når batteriet oplades og aflades.

Vandige elektrolytter er blevet set for denne rolle på grund af deres ikke-brændbare natur og fordi, i modsætning til ikke-vandige elektrolytter, de er ikke følsomme over for fugt i fremstillingsprocessen, gør dem nemmere at arbejde med og billigere. Den største udfordring med dette materiale har været at opretholde ydeevnen.

"Hvis du anvender for meget spænding til vand, elektrolyseres det, hvilket betyder, at vandet opdeles til brint og ilt, " sagde Nikhil Koratkar, en begavet professor i mekanik, rumfart, og atomteknik hos Rensselaer. "Dette er et problem, for så bliver du udgasset, og elektrolytten er forbrugt. Så normalt, dette materiale har et meget begrænset spændingsvindue."

I denne forskning, Koratkar og hans team - som inkluderede Fudong Han, en begavet stol adjunkt i mekanisk, rumfart, og nuklear teknik - brugte en speciel type vandig elektrolyt kendt som en vand-i-salt elektrolyt, som er mindre tilbøjelige til at elektrolysere.

For katoden, forskerne brugte lithium manganoxid, og for anoden, de brugte niobium wolframoxid - et komplekst oxid, som Koratkar sagde ikke var blevet udforsket i et vandigt batteri før.

"Det viser sig, at niobium wolframoxid er fremragende med hensyn til energi lagret pr. volumenenhed, " sagde Koratkar. "Volumetrisk, dette var langt det bedste resultat, vi har set i et vandigt lithium-ion-batteri."

Niobium wolframoxid, forklarede han, er relativt tung og tæt. Den vægt gør dens energilagring baseret på masse omkring gennemsnittet, men den tætte pakning af niobium wolframoxidpartikler i elektroden gør dens energilagring baseret på volumen ganske god. Krystalstrukturen af ​​dette materiale har også veldefinerede kanaler - eller tunneler - der tillader lithiumioner at diffundere hurtigt, hvilket betyder, at den kan oplades hurtigt.

Kombinationen af ​​hurtigopladningsevne og evnen til at lagre en stor mængde opladning pr. volumenenhed, Koratkar sagde, er sjælden i vandige batterier.

At opnå den slags præstationer, med en lav pris og forbedret sikkerhed, har praktiske konsekvenser. Til nye applikationer såsom bærbar elektronik, elektriske køretøjer, og netlager, evnen til at pakke den maksimale mængde energi ind i et begrænset volumen bliver kritisk.