Bygger bedre batterier ved at låne fra biologi

Et forskerhold ved Osaka University har rapporteret et nyt fremskridt inden for design af materialer til brug i genopladelige batterier, under høj luftfugtighed. Ved hjælp af inspiration fra levende celler, der kan blokere mindre partikler, men lader større partikler passere igennem, forskerne var i stand til at skabe et materiale med meget mobile kaliumioner, der let kan migrere som reaktion på elektriske felter. Dette arbejde kan hjælpe med at gøre genopladelige batterier sikre og billige nok til drastisk at reducere omkostningerne ved elbiler og bærbar forbrugerelektronik.

Genopladelige lithium-ion-batterier bruges meget i bærbare computere, mobiltelefoner, og endda elektriske og hybridbiler. Desværre, disse batterier er dyre, og har endda været kendt for at bryde i brand i lejligheder. Nye materialer, der ikke bruger lithium, kan reducere omkostningerne og forbedre disse batteriers sikkerhed, og har potentiale til i høj grad at accelerere vedtagelsen af ​​energieffektive elbiler. Både natrium- og kaliumioner er potentielle kandidater, der kan bruges til at erstatte lithium, da de er billige og i stort udbud. Imidlertid, natrium- og kaliumioner er meget større ioner end lithium, så de bevæger sig trægt gennem de fleste materialer. Disse positive ioner bremses yderligere af de stærke tiltrækningskræfter til de negative ladninger i krystallinske materialer. "Kaliumioner har lav mobilitet i fast tilstand på grund af deres store størrelse, hvilket er en ulempe ved konstruktion af batterier, "forklarer den tilsvarende forfatter Takumi Konno.

For at løse dette problem, forskerne brugte den samme mekanisme, som dine celler anvender for at lade de store kaliumioner passere gennem deres membraner og samtidig holde mindre partikler ude. Levende systemer opnår denne tilsyneladende umulige præstation ved ikke kun at overveje selve ionerne, men også de omgivende vandmolekyler, kaldet "hydreringslaget, "der tiltrækkes af ionens positive ladning. Faktisk er jo mindre ion, jo større og mere tæt bundet det tilhørende hydreringslag vil være. Specialiserede kaliumkanaler i cellemembraner er den helt rigtige størrelse, så hydratiserede kaliumioner kan passere igennem, men blokerer de store hydratiseringslag af mindre ioner.

Forskerne udviklede en ionisk krystal ved hjælp af rhodium, zink, og iltatomer. Ligesom med de selektive biologiske kanaler, ionernes mobilitet i krystallen viste sig at være højere for de større kaliumioner, sammenlignet med de mindre lithiumioner. Faktisk, kaliumionerne bevægede sig så let, krystallen blev klassificeret som en "superionisk leder". Forskerne fandt ud af, at det nuværende materiale havde den største hydratiserede kaliumionmobilitet, der nogensinde er set.

"Bemærkelsesværdigt, krystallen udviste en særlig høj ionledningsevne på grund af den hurtige migration af hydratiserede kaliumioner i krystalgitteret, siger hovedforfatter Nobuto Yoshinari. "Sådan superionisk ledningsevne af hydratiserede kaliumioner i fast tilstand er uden fortilfælde, og kan føre til både sikrere og billigere genopladelige batterier. "