Fangede ioner låser muligvis op for en vej til bedre batterier og meget mere

En serendipitøs opdagelse under forskning i batterier ved Oregon State University har store konsekvenser for opfindelsen af ​​nye materialer med en lang række videnskabelige og kommercielle anvendelser, siger undersøgelsens tilsvarende forfatter.

Mange af videnskabens mest betydningsfulde udfordringer sporer til grænserne for kendte tilgængelige materialer, men et fænomen, der hedder "modion-indsættelse" af OSU College of Science-forskere, åbner døren for "et stort antal nye faste stoffer med værdier, der transcenderer forskellige discipliner langt ud over batterikemier, "sagde Xiulei (David) Ji, lektor i kemi. "Dette er udgangspunktet for et helt nyt felt."

For eksempel, batterier designet med denne konstruktion viser et bemærkelsesværdigt potentiale for billig energilagring, Sagde Ji. Sammenlignet med de lithium -ion -batterier, der bruges til at drive mobiltelefoner, bærbare computere, medicinsk udstyr, elværktøj, biler og mere, de er mere sikre og mere miljøvenlige og kan være mere omkostningseffektive.

Fund blev netop offentliggjort i Carbon Energy .

Undersøgelse af ionlagringskemi i faste stoffer-specifikt ser på anioner frem for kationer for at lagre energi - Ji og ph.d. studerende Heng Jiang testede manganoxidet Mn3O4 som en elektrode i et zinkionbatteri.

Testen af ​​hosting af zinkioner mislykkedes, men leverede i stedet en hidtil uset chloridbatterielektrode, viser, at anion-hosting-batterier fungerer bedre, efter at kationer er fanget i elektroderne.

"Vi forventer, at dette markerer indvielsen af ​​indsættelse af counter-ion som en generisk elektrosyntesemetode til materialedesign, "Sagde Ji." Batteriopladning eller opladningsprocesser kan være kraftfulde synteseværktøjer, og processen, hvor en elektrode ikke leverer ønskelige egenskaber i en batteritype, kan være den nøjagtige elektrosyntese, der er nødvendig for at skabe en glimrende elektrode til en anden type batteri. "

Der er mange forskellige typer batterier, men de fungerer alle på samme grundlæggende måde og indeholder de samme grundkomponenter:To elektroder - anoden, hvorfra elektroner strømmer ud i et eksternt kredsløb, og katoden, som henter elektroner fra det ydre kredsløb - og elektrolytten, det kemiske medium, der adskiller elektroderne og tillader strøm af ioner mellem dem.

De fleste batterier, Ji forklarer, lagre elektricitet via kationer. En kation er et element eller et molekyle, der mangler en eller flere elektroner og er positivt ladet. En anion, som også kan bruges til at lagre elektricitet, er et element eller molekyle, der har en eller flere ekstra elektroner og er negativt ladet.

"Der er færre kendte materialer, der kan lagre anioner reversibelt end til opbevaring af kationer, "Sagde Ji." Som et eksempel på kationopbevaring, den reversible indsættelse af lithiumioner førte til teknologien med lithiumionbatterier. "

Vendbar betyder, at batteriet kan oplades, som den i en mobiltelefon.

Litiumionbatterier fungerer godt, fordi kationen, der opbevares, er lille og let. Til anionopbevaring, de ønskelige anioner er halogenider - et enkelt halogenatom med en ekstra elektron. Jod, brom, chlor, og fluor er halogenerne, og deres anioner er kendt som iodid, bromid, chlorid og fluor.

"Klorid er relativt let og lille i forhold til andre former for anioner, der er blevet prøvet, omfangsrige polyatomiske ioner som nitrat, sulfat og hexafluorophosphat, der har en tendens til gradvist at fordreje elektrodestrukturerne, "Sagde Ji.

I dette studie, Mn3O4 -katoden lagrede reversibelt chlorid med stor effektivitet, efter at zinkkationer (Zn2+) blev fanget i katodens kemiske struktur.

"De fangede kationer transformerer Mn3O4 således, at den reversible opbevaring af chloridet bliver meget mere levedygtig, "Ji sagde." Zink og chlorid er modioner til hinanden, hvilket forårsager gunstige interaktioner, der fører til hidtil usete egenskaber i kapacitet, driftspotentiale og cykelliv. Den anion-værtende katode arbejder med en zinkmetalanode i et fuldcellet dual-ion batteri med en vandig elektrolyt. "

Dual-ion batterier har både kationer og anioner involveret i batteriets elektrokemiske reduktion-oxidation, eller redox, reaktion.

Batterier af dual-ion-sorten, der bruger vandige elektrolytter-elektrolytter indeholdende vand-har "et bemærkelsesværdigt potentiale for billig energilagring, "Sagde Ji. Sammenlignet med litiumionbatterier, de er sikrere, mere miljøvenlig og kan være mere omkostningseffektiv.

"Vi demonstrerede denne patentanmeldte batterikemi i prototype poseceller, som er tæt på kommercialisering, "sagde han." Endnu vigtigere, modion-indsættelse ligner en metode med vigtige elektrosyntese-implikationer på tværs af hele spektret af materialevidenskab. Kendskabet til indsættelse af modioner vil potentielt vokse eksponentielt i løbet af de næste tre til fem år med mange nye materialer, der skal opfindes. "