Billig organisk materiale giver sikre batterier en længere levetid

Moderne batterier driver alt fra biler til mobiltelefoner, men de er langt fra perfekte - de brænder, de klarer sig dårligt i koldt vejr, og de har relativt kort livscyklus, blandt andre spørgsmål. Nu har forskere fra University of Houston beskrevet en ny klasse af materiale, der adresserer mange af disse bekymringer i Naturmaterialer .

Forskerne, ledet af Yan Yao, lektor i el- og computerteknik, rapportere deres brug af quinoner - en billig, jordrigt og let genanvendeligt materiale - for at skabe stabile anodekompositter til ethvert vandigt genopladeligt batteri.

"Dette nye materiale er billigt og kemisk stabilt i et så korrosivt miljø, " sagde Yao, som også er hovedefterforsker ved Texas Center for Superconductivity på UH, med en ansættelse på det kemiske og biomolekylære ingeniørfakultet. Materialet kan også bruges til at skabe en "drop-in erstatning" for nuværende batterianoder, gør det muligt at bruge det nye materiale uden at ændre eksisterende batteriproduktionslinjer, han sagde.

"Dette kan komme på markedet meget hurtigere, " han sagde.

Yao og hans laboratorium, herunder forskningsassistent Yanliang Liang, der fungerede som første forfatter på avisen, påbegyndte arbejdet i 2013, efter at han blev tildelt 1 million dollars fra Department of Energy's Advanced Research Project Agency - Energy (ARPA-E) RANGE-program for at udvikle ny batteriteknologi. Andre forskere involveret i projektet omfatter Yan Jing, Saman Gheytani og Kuan-Yi Lee, hele UH, Ping Liu fra University of California-San Diego, og Antonio Faccheti fra Northwestern University.

Energilagring er nøglen til en bredere udbredelse af elbiler, vind- og solenergi, sammen med andre rene energiteknologier. Men udviklingen af ​​batterilagringssystemer, som ville være i stand til at lagre energi, indtil den er nødvendig og derefter genoplades med yderligere produktion, har været hæmmet af manglen på batterier, der opfylder en række krav:miljøvenlige, sikker, billig og langtidsholdbar.

"Vandige genopladelige batterier med billige og ikke-brændbare vandbaserede elektrolytter er i sig selv sikre og ... (giver) robusthed og omkostningsfordele i forhold til konkurrerende lithium-ion-batterier, der bruger flygtige organiske elektrolytter og er ansvarlige for nylige katastrofale eksplosioner, " skrev forskerne. Men avancerede vandige genopladelige batterier har en kort levetid, gør dem uegnede til anvendelser, hvor det ikke er praktisk at udskifte dem ofte.

Anstødssten, Yao sagde, har været anoden, den del af batteriet, som energien strømmer igennem. Eksisterende anodematerialer er iboende strukturelt og kemisk ustabile, hvilket betyder, at batteriet kun er effektivt i relativt kort tid.

De arbejdede med quinoner, et jordrigt organisk materiale, som Yan sagde koster kun $2 pr. kilogram, demonstrerer materialets fordele i tre formuleringer.

De forskellige formuleringer viser, at materialet er en effektiv anode til både syrebatterier og alkaliske batterier, som dem der bruges i en bil, såvel som nye vandige metal-ion-batterier, sagde Liang. Det betyder, at den quinonbaserede anode vil fungere, uanset hvilken teknologi der dominerer i fremtiden, han sagde.

Det nye materiale gør det også muligt for batterierne at arbejde på tværs af temperaturområder, Liang sagde, i modsætning til nogle konventionelle vandige batterier, som er notorisk barske i koldt vejr.

Yao sagde, at forbrugerne hurtigt ville bemærke en vigtig forskel i denne ændring af eksisterende batteriteknologi. "Et af disse batterier, som bilbatteri, kunne holde i 10 år, " sagde han. Ud over at bremse nedbrydningen af ​​batterier til køretøjer og stationære elektricitetslagerbatterier, det ville også gøre det nemmere at bortskaffe batterier, fordi materialet ikke indeholder tungmetaller.

Forskerne har søgt om tre patenter på teknologien og håber at finde partnere til at kommercialisere teknologien.