Aluminium-svovl-batteri kunne give lavpris backup-lagring til vedvarende energikilder

I takt med at verden bygger stadig større installationer af vind- og solenergisystemer, vokser behovet hurtigt for økonomiske, storstilede backup-systemer til at levere strøm, når solen er nede, og luften er rolig. Nutidens lithium-ion-batterier er stadig for dyre til de fleste sådanne applikationer, og andre muligheder såsom pumpet hydro kræver specifik topografi, som ikke altid er tilgængelig.

Nu har forskere ved MIT og andre steder udviklet en ny slags batteri, udelukkende lavet af rigelige og billige materialer, som kunne hjælpe med at udfylde dette hul.

Den nye batteriarkitektur, der bruger aluminium og svovl som sine to elektrodematerialer, med en smeltet saltelektrolyt imellem, er beskrevet i tidsskriftet Nature , i et papir af MIT-professor Donald Sadoway sammen med 15 andre ved MIT og i Kina, Canada, Kentucky og Tennessee.

"Jeg ønskede at opfinde noget, der var bedre, meget bedre, end lithium-ion-batterier til stationær opbevaring i lille skala og i sidste ende til automotive [anvendelser]," forklarer Sadoway, som er John F. Elliott professor emeritus i materialekemi.

Ud over at være dyre indeholder lithium-ion-batterier en brændbar elektrolyt, hvilket gør dem mindre end ideelle til transport. Så Sadoway begyndte at studere det periodiske system, på udkig efter billige, jordrige metaller, der måske kunne erstatte lithium. Det kommercielt dominerende metal, jern, har ikke de rigtige elektrokemiske egenskaber til et effektivt batteri, siger han. Men det næstmest udbredte metal på markedet - og faktisk det mest udbredte metal på Jorden - er aluminium. "Så, sagde jeg, jamen, lad os bare gøre det til en bogstøtte. Det bliver aluminium," siger han.

Så kom beslutningen om, hvad der skulle parres aluminiumet med til den anden elektrode, og hvilken slags elektrolyt der skulle lægges imellem for at transportere ioner frem og tilbage under op- og afladning. Det billigste af alle ikke-metallerne er svovl, så det blev det andet elektrodemateriale. Hvad angår elektrolytten, "vi ville ikke bruge de flygtige, brandfarlige organiske væsker", der nogle gange har ført til farlige brande i biler og andre anvendelser af lithium-ion-batterier, siger Sadoway. De prøvede nogle polymerer, men endte med at se på en række smeltede salte, der har relativt lave smeltepunkter - tæt på kogepunktet for vand, i modsætning til næsten 1.000 grader Fahrenheit for mange salte. "Når du kommer ned på nær kropstemperatur, bliver det praktisk" at lave batterier, der ikke kræver speciel isolering og antikorrosionsforanstaltninger, siger han.

De tre ingredienser, de endte med, er billige og let tilgængelige - aluminium, ikke anderledes end folien i supermarkedet; svovl, som ofte er et affaldsprodukt fra processer såsom råolieraffinering; og bredt tilgængelige salte. "Ingredienserne er billige, og sagen er sikker - den kan ikke brænde," siger Sadoway.

I deres eksperimenter viste holdet, at battericellerne kunne udholde hundredvis af cyklusser ved usædvanlig høje opladningshastigheder, med en forventet pris pr. celle på omkring en sjettedel af sammenlignelige lithium-ion-celler. De viste, at opladningshastigheden var meget afhængig af arbejdstemperaturen, hvor 110 grader Celsius (230 grader Fahrenheit) viste 25 gange hurtigere end 25 C (77 F).

Overraskende nok viste det smeltede salt, teamet valgte som en elektrolyt, simpelthen på grund af dets lave smeltepunkt, at have en tilfældig fordel. Et af de største problemer med batteripålidelighed er dannelsen af ​​dendritter, som er smalle spidser af metal, der bygger sig op på den ene elektrode og til sidst vokser på tværs og kommer i kontakt med den anden elektrode, hvilket forårsager en kortslutning og hæmmer effektiviteten. Men dette særlige salt er tilfældigvis meget god til at forhindre den funktionsfejl.

Det chlor-aluminatsalt, de valgte, "pensionerede i det væsentlige disse løbske dendritter, mens det også muliggjorde meget hurtig opladning," siger Sadoway. "Vi lavede eksperimenter med meget høje opladningshastigheder, opladning på mindre end et minut, og vi mistede aldrig celler på grund af dendritkortslutning."

"Det er sjovt," siger han, for hele fokus var på at finde et salt med det laveste smeltepunkt, men de katenerede chlor-aluminater, de endte med, viste sig at være modstandsdygtige over for kortslutningsproblemet. "Hvis vi var startet med at forsøge at forhindre dendritisk kortslutning, er jeg ikke sikker på, at jeg ville have vidst, hvordan jeg skulle forfølge det," siger Sadoway. "Jeg tror, ​​det var serendipity for os."

Desuden kræver batteriet ingen ekstern varmekilde for at opretholde driftstemperaturen. Varmen produceres naturligt elektrokemisk ved opladning og afladning af batteriet. "Når du oplader, genererer du varme, og det forhindrer saltet i at fryse. Og så, når du udleder, genererer det også varme," siger Sadoway. I en typisk installation, der bruges til belastningsnivellering på et solcelleanlæg, for eksempel, "ville du opbevare elektricitet, når solen skinner, og så ville du trække strøm efter mørkets frembrud, og du ville gøre dette hver dag. Og at ladning-tomgang-afladning-tomgang er nok til at generere nok varme til at holde tingen ved temperatur."

Denne nye batteriformulering, siger han, ville være ideel til installationer af omtrent den størrelse, der kræves til at drive et enkelt hjem eller små til mellemstore virksomheder, der producerer i størrelsesordenen et par titusvis af kilowatt-timers lagerkapacitet.

For større installationer, op til en brugsskala på ti til hundreder af megawatt-timer, kan andre teknologier være mere effektive, herunder de flydende metalbatterier, som Sadoway og hans elever udviklede for flere år siden, og som dannede grundlaget for et spinoff-firma ved navn Ambri, som håber at levere sine første produkter inden for det næste år. For den opfindelse blev Sadoway for nylig tildelt dette års European Inventor Award.

Den mindre skala af aluminium-svovl-batterier ville også gøre dem praktiske til anvendelser såsom ladestationer til elektriske køretøjer, siger Sadoway. Han påpeger, at når elbiler bliver almindelige nok på vejene til, at flere biler ønsker at lade op på én gang, som det sker i dag med benzinpumper, "hvis du prøver at gøre det med batterier, og du vil have hurtig opladning, er strømstyrkerne bare så høj, at vi ikke har den mængde strømstyrke i ledningen, der forsyner anlægget." Så at have et batterisystem som dette til at lagre strøm og derefter frigive det hurtigt, når det er nødvendigt, kunne eliminere behovet for at installere dyre nye elledninger til at betjene disse opladere.

Den nye teknologi er allerede grundlaget for et nyt spinoff-selskab kaldet Avanti, som har licenseret patenterne til systemet, som er grundlagt af Sadoway og Luis Ortiz '96 ScD '00, som også var medstifter af Ambri. "Den første forretningsorden for virksomheden er at demonstrere, at den fungerer i stor skala," siger Sadoway og derefter udsætte den for en række stresstests, herunder at køre gennem hundredvis af opladningscyklusser.

Vil et batteri baseret på svovl risikere at producere de dårlige lugte forbundet med nogle former for svovl? Ikke en chance, siger Sadoway. "Den rådne æg lugt er i gassen, svovlbrinte. Dette er elementært svovl, og det vil blive lukket inde i cellerne." Hvis du skulle prøve at åbne en lithium-ion-celle i dit køkken, siger han (og prøv venligst ikke dette derhjemme!), "fugten i luften ville reagere, og du ville begynde at generere alle mulige former for snavs. gasser også. Det er legitime spørgsmål, men batteriet er forseglet, det er ikke en åben beholder. Så det ville jeg ikke være bekymret over."

Forskerholdet omfattede medlemmer fra Peking University, Yunnan University og Wuhan University of Technology i Kina; University of Louisville i Kentucky; University of Waterloo, i Canada; Oak Ridge National Laboratory, i Tennessee; og MIT. + Udforsk yderligere

Nye kemier fundet for flydende batterier