Nye materialer til bæredygtige, lavpris batterier

Et nyt ledermateriale og et nyt elektrodemateriale kan bane vejen for billige batterier og dermed storstilet lagring af vedvarende energi.

Energiomstillingen afhænger af teknologier, der tillader billig midlertidig lagring af elektricitet fra vedvarende kilder. En lovende ny kandidat er aluminiumsbatterier, som er lavet af billige og rigelige råvarer.

Forskere fra ETH Zürich og Empa, ledet af Maksym Kovalenko, Professor i funktionelle uorganiske materialer, er blandt dem, der er involveret i at forske i og udvikle batterier af denne art. Forskerne har nu identificeret to nye materialer, der kan skabe vigtige fremskridt i udviklingen af ​​aluminiumsbatterier. Den første er et korrosionsbestandigt materiale til de ledende dele af batteriet; det andet er et nyt materiale til batteriets positive pol, der kan tilpasses til en lang række tekniske krav.

Da elektrolytvæsken i aluminiumsbatterier korroderer rustfrit stål, guld og platin, forskere søger efter korrosionsbestandige materialer til de ledende dele af disse batterier. Titaniumnitrid, et keramisk materiale, der udviser tilstrækkelig høj ledningsevne, er sådan en dirigent. "Denne forbindelse består af de meget rigelige grundstoffer titanium og nitrogen, og det er nemt at fremstille, " forklarer Kovalenko.

Forskerne har med succes lavet aluminiumsbatterier med ledende dele lavet af titaniumnitrid i laboratoriet. Materialet kan nemt fremstilles i form af tynde film, også som belægning over andre materialer såsom polymerfolier. Kovalenko mener, at det også ville være muligt at fremstille lederne af et konventionelt metal og belægge dem med titaniumnitrid, eller endda til at printe ledende titaniumnitridspor på plastik. "De potentielle anvendelser af titaniumnitrid er ikke begrænset til aluminiumsbatterier. Materialet kan også bruges i andre typer batterier; f.eks. i dem, der er baseret på magnesium eller natrium, eller i højspændings lithium-ion-batterier, " siger Kovalenko.

Det andet nye materiale kan bruges til den positive elektrode (pol) på aluminiumsbatterier. Mens den negative elektrode i disse batterier er lavet af aluminium, den positive elektrode er normalt lavet af grafit. Nu, Kovalenko og hans team har fundet et nyt materiale, der konkurrerer med grafit med hensyn til mængden af ​​energi, et batteri er i stand til at lagre. Det pågældende materiale er polypyren, et carbonhydrid med en kædelignende (polymer) molekylær struktur. I eksperimenter, prøver af materialet - især dem, hvori molekylære kæder samles på en uordnet måde - viste sig at være ideelle. "Der er meget plads tilbage mellem molekylekæderne. Dette gør det muligt for de relativt store ioner i elektrolytvæsken at trænge ind og oplade elektrodematerialet nemt, " forklarer Kovalenko.

En af fordelene ved elektroder indeholdende polypyren er, at forskere er i stand til at påvirke deres egenskaber, såsom porøsiteten. Materialet kan derfor tilpasses perfekt til den specifikke anvendelse. "I modsætning, den grafit, der anvendes i øjeblikket, er et mineral. Fra et kemiteknisk perspektiv, det kan ikke ændres, " siger Kovalenko.

Da både titaniumnitrid og polypyren er fleksible materialer, forskerne mener, at de er velegnede til brug i "poseceller" (batterier indesluttet i en fleksibel film).

Batterier til energiomstillingen

En stigende mængde elektricitet genereres fra sol- og vindenergi. Imidlertid, da elektricitet er nødvendig, selv når solen ikke skinner, og vinden ikke blæser, der vil være behov for nye teknologier, nye typer batterier, at opbevare denne elektricitet på en omkostningseffektiv måde. Selvom eksisterende lithium-ion-batterier er ideelle til elektromobilitet på grund af deres lave vægt, de er også ret dyre og derfor uegnede til økonomisk storskala, stationær strømlagring.

Desuden, lithium er et relativt sjældent metal og er svært at udvinde – i modsætning til aluminium, magnesium eller natrium. Batterier baseret på et af de tre sidstnævnte elementer ses således som en lovende mulighed for stationær strømlagring i fremtiden. Imidlertid, sådanne batterier er stadig på forskningsstadiet og er endnu ikke taget i industriel brug.