Forskningssamarbejde bringer nye koncepter for kalium-ion-batterier

Forskere gør fremskridt med at udvikle genopladelige batterier baseret på kalium, et potentielt alternativ til lithium, der er billigere og langt mere rigeligt, og har også vist, hvordan man udleder kulstof til batterielektroder fra gamle dæk.

"Med væksten i genopladelige batterier til elektroniske enheder, elektriske køretøjer og applikationer til elnet, der har været stigende bekymring for bæredygtighed og omkostninger ved lithium, "sagde Vilas G. Pol, en lektor i Davidson School of Chemical Engineering ved Purdue University. "I det sidste årti, der har været hurtige fremskridt i undersøgelsen af ​​metal-ion-batterier ud over lithium, såsom natrium og kalium. "

På grund af dens større overflod og lavere omkostninger, kalium viser løfte om storstilet elopbevaring på elnettet.

"Den intermitterende energi, der genereres fra sol og vind, kræver nye energilagringssystemer til nettet, "Sagde Pol." Dog, den begrænsede globale tilgængelighed af lithiumressourcer og de høje udvindingsomkostninger hindrer anvendelsen af ​​lithium-ion-batterier til så stor energilagring. Dette kræver alternative energilagringsenheder, der er baseret på jord-rigelige elementer. "

Kalium er omkring otte gange mere rigelig end lithium og en tiendedel af omkostningerne, han sagde.

Tre forskningsartikler om kaliumionbatteriets arbejde blev offentliggjort i denne måned, i samarbejde med US Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory og National Cheng Kung University i Taiwan.

"Vi startede dette program for næsten et år siden, og der er ikke mange grupper i verden, der arbejder på kaliumionbatterier, "Sagde Pol.

De tre artikler blev offentliggjort i ACS -anvendte materialer og grænseflader , Kemisk kommunikation og Journal of the Electrochemical Society .

I et papir, forskerne beskriver et nyt design, der bruger carbon nanofibre som anode. Batterier har to elektroder, kaldet en anode og en katode. Anoderne i de fleste af dagens lithium-ion-batterier er lavet af grafit. Litiumioner findes i en væske kaldet en elektrolyt, og disse ioner lagres i anoden under genopladning.

Nye fund viste, at batterier med anoder lavet af carbon nanofibre er lovende. Papiret fås på DOI:10.1021/acsami.7b02476.

"Carbon nanofibrene viser et stort potentiale som anodemateriale til kaliumionbatterier, "Sagde Pol." Vi studerede batterier i op til 1, 900 opladnings-udladningscyklusser, hvilket er ret bemærkelsesværdigt. "

Carbon nanofibrene blev skabt med en proces kaldet elektrospinning, hvor højspænding bruges til at trække en ladet polymer opløsning mellem to elektroder, og polymerfibrene omdannes derefter til kulfiber.

Batterierne viste "rimelig kapacitet" efter at have været opladet i kun seks minutter, med en kapacitet på 110 milliampere pr. gram, en tredjedel af kapaciteten opnået efter 10 timers konventionel lithium-ion-batteriopladning, han sagde.

"Som regel, du ville få meget begrænset kapacitet efter kun seks minutter, fordi det ikke er nok tid til at oplade et konventionelt batteri, "Sagde Pol." Dog, carbon nanofibre gør det muligt at oplade batteriet meget hurtigere, fordi ionerne kun skal rejse en meget kort afstand. Det typiske mobiltelefonbatteri indeholder partikler, der er 15-20 mikrometer i diameter, hvilket er en langt større afstand end denne fiberlignende arkitektur, og derfor tager det to til tre timer at oplade din telefon. "

Designet eliminerer behovet for et "bindemiddel, "eller en polymergel til at holde grafitpulver på plads. Et nanofibernetværk holder i stedet kaliumpartiklerne, en fremgangsmåde, der kan reducere batteriets vægt.

Nanofibrene var "iltfunktionerede, "hvilket betyder, at iltmolekyler er knyttet til deres overflade, reducere yderligere korrosion fra den sure elektrolyt. De blev også funktionaliseret med nitrogenmolekyler for at øge elektrisk ledningsevne.

I et andet papir, pladelignende strukturer af keramik, elektrisk ledende materialer kaldet MXenes blev brugt til at skabe en ny type kaliumionbatteri.

Under opladningsprocessen, ioner siges at interkalere, hvilket betyder, at de er tvunget af elektrisk strøm til at bevæge sig mellem lag af carbonanoden, opbygning af en afgift. Fordi kalium har en større atomdiameter end lithium, det er vanskeligere for det at interkalere.

Imidlertid, MXenes kan tillade forskere at omgå denne hindring. Forskerne er de første til at rapportere fund om udførelsen af ​​pladelignende elektrodestrukturer lavet af en MXene kaldet titaniumcarbonitrid.

"Normalt er keramik ikke elektrokemisk aktiv, men MXenes er fordi du har en murstenlignende struktur, og ionerne kan indsættes mellem disse mursten under opladning, "Pol sagde." Vi har vist, at kalium oplades og udledes effektivt, hvis du justerer materialets morfologi og struktur. "

Brug af kalium kan også bringe billigere batterier ved at udskifte kobber med aluminium som en "strømopsamler" for anoder. Litium-ion-batterier kræver kobber til formålet, hvorimod aluminium i stedet kan bruges i kaliumionbatterierne.

I et tredje papir, kulstof blev afledt fra affaldsdæk for at skabe kulstofanoder til et kaliumionbatteri. Dækkene blev reduceret til en form for kulstof kaldet hårdt kulstof gennem en kemisk behandlingsproces efterfulgt af en procedure kaldet pyrolyse. Papiret fås på DOI:10.1149/2.1391706jes.

"Genbrug af affaldsgummi er af afgørende betydning, da de kasserede dæk udgør alvorlige miljø- og sundhedsfarer for vores samfund, "Sagde Pol." Her, vi rapporterer en ny ansøgning om hårde kulstofmaterialer afledt af affaldsdæk som anoder i kaliumionbatterier. "

I hårdt kulstof, kullag er tilfældigt arrangeret, og dette uordnede arrangement letter sammenkalkning af kaliumioner.

"Denne undersøgelse viser, hvordan materialeteknik af kulstof kan løse nogle af de problemer, der skyldes større kaliumioninterkalering, og kan bringe mulige strategier til at forbedre disse batteriers ydeevne i fremtiden, " han sagde.

Purdue kemiingeniørstuderende Ryan A. Adams ledede meget af forskningen. Hans forskning ledes af Vilas Pol og Arvind Varma, R. Games Slayter Fremstående professor i kemiteknik. En fuldstændig liste over papirernes medforfattere er tilgængelig i abstracts.