Elektrolyttens struktur styrer batteriets ydeevne

Forskerholdet ved Institut for Elektrisk og Elektronisk Informationsteknik, Toyohashi University of Technology har rapporteret, at tilsætning af vand til en elektrolyt forbedrer funktionen af ​​vanadiumoxid, et positivt elektrodemateriale i calcium-ion-batterier. Selvom vand i elektrolytter er kendt for at have mange negative effekter, det har nu vist sig at fremkalde et fænomen, der fremskynder den konventionelt langsomme reaktion af calcium-ion-batterier. Resultaterne indikerer, at dette fænomen er forårsaget af ændringer i elektrolytstrukturen. Forskerne mener, at denne opdagelse i høj grad vil gavne udviklingen af ​​elektrolytter til implementering af calcium-ion-batterier i fremtiden.

Sekundære batterier er værdifulde ressourcer, der understøtter forskellige industrier. I dag, sekundære batterier er påkrævet til genanvendelig energi og elektriske køretøjer. Lithium-ion sekundære batterier er allerede meget brugt som kraftige sekundære batterier. Imidlertid, i de seneste år, der er sat spørgsmålstegn ved sikkerheden af ​​sekundære batterier, med utallige rapporter, der citerer forbrænding. Behovet for sekundære batterier forventes at stige eksponentielt sammen med stigningen i elektriske køretøjer. Dette betyder en større efterspørgsel efter lithium, og til gengæld problemer såsom højere priser og potentiel ressourceudtømning.

Calcium-ion-batterier er en type af næste generations sekundære batterier, der ikke bruger lithium og kan opnå en batterispænding, der kan konkurrere med lithium-ion-batterier. Sammenlignet med lithium-ion-batterier, calcium-ion-batterier er sikrere, billigere at producere og deres ressourcer er meget rigeligere. Imidlertid, calcium-ion-batterier er stadig genstand for en række problemer. Et sådant problem er, at de kører med en hastighed, der er meget lavere end for lithium-ion-batterier.

I dette studie, Toyohashi University rapporterede, at den langsomme driftshastighed af calcium-ion-batterier kunne forbedres ved at tilføje vand til elektrolytten. Graferne over testresultaterne viser, at overspænding, der opstår under opladning/afladning, falder kraftigt, når mængden af ​​tilsat vand stiger, og den reaktion forløber uden problemer. Forskerne beviste, at dette fænomen skyldes, at elektrolyttens struktur i høj grad ændres ved tilsætning af vand.

Yoshiaki Murata, Ph.D. studerende og førsteforfatter af undersøgelsen, siger, "Elektrolytten består af positive ioner (calciumioner), negative ioner og opløsningsmiddelmolekyler, og tilstanden omkring calciumionen ændrer sig meget, når der tilsættes vand. Hvad det betyder er, at for at forbedre ydeevnen af ​​et calcium-ion batteri, fortrinsvis er ingen negativ ion knyttet til calciumionen i elektrolytten, og et opløsningsmiddelmolekyle, der let adskilles, er knyttet til calciumionen. Selvom vi stadig mangler at finde en elektrolyt med disse egenskaber, som ikke inkluderer vand, for at opnå calcium-ion-batterier, opdagelsen af ​​dette fænomen vil helt sikkert hjælpe med fremtidig elektrolytudvikling."

Resultatet af denne undersøgelse var faktisk et sekundært resultat opnået under undersøgelse af nye elektrolytter. Elektrolytter skal være tilstrækkeligt dehydrerede, når de udvikles, men denne dehydreringsproces er svær. Denne undersøgelse blev udført på grund af, at et batteris egenskaber forbedres, mens man tester en utilstrækkeligt dehydreret elektrolyt. Selvom der er rapporter om et fænomen, hvor ydeevnen af ​​såsom et magnesium-ion-batteri forbedres på grund af tilsætning af vand, mekanismen bag dette var ikke klart kendt. Det var overraskende, at det samme fænomen kunne ses i calcium-ion-batterier, og vi mener, at belysning af mekanismen bag denne adfærd ville vise sig nyttig for den fremtidige udvikling af elektrolytter.

Vores forskerhold søger at udvikle og vurdere nye elektrolytter baseret på denne nyopdagede elektrolytstruktur, der forbedrer ydeevnen af ​​calcium-ion-batterier. Yderligere, vi har ikke været de eneste, der har studeret dette; der har været en hurtig stigning i antallet af undersøgelser af calcium-ion-batterier i de senere år. Ultimativt, vi vil gerne udvikle et calcium-ion-batteri, der har evnen til at konkurrere med eller overhale lithium-ion-batterier.