Vendbar kemi baner vejen for sikrere batterier

Forskere ved University of Maryland (UMD) og US Army Research Lab (ARL) har taget et kritisk skridt på vejen til højenergibatterier ved at forbedre deres vand-i-salt batteri med en ny type kemisk transformation af katoden, der skaber et reversibelt fast saltlag, et endnu ukendt fænomen inden for vandbaserede batterier.

Bygger på deres tidligere opdagelser af vand-i-salt elektrolytter rapporteret i Videnskab i 2015, forskerne tilføjede en ny katode. Dette nye katodemateriale, mangler overgangsmetal, fungerer ved et gennemsnitligt potentiale på 4,2 volt med fremragende cykelstabilitet, og leverer en hidtil uset energitæthed, der er sammenlignelig, eller måske højere end, ikke-vandige Li-ion-batterier. Forfatterne rapporterer deres arbejde den 9. maj i tidsskriftet Natur .

"Universitetet i Maryland og ARL forskning har produceret den mest kreative nye batterikemi, jeg har set i mindst 10 år, " sagde prof. Jeffrey Dahn fra Dalhousie University i Canada, en ekspert på området, der ikke er tilknyttet forskningen. "Imidlertid, Det er endnu uvist, om der kan skabes en praktisk enhed med lang levetid."

Udnyttelse af den reversible halogeninterkalation i grafitstrukturer, muliggjort af en superkoncentreret vandig elektrolyt, holdet genererede en energitæthed, som man tidligere troede var umulig. Forskerne fandt ud af, at den superkoncentrerede opløsning af vand-i-salt-batteriet, kombineret med grafitanodes evne til automatisk at bygge og omdanne et beskyttende lag inde i batteriet, gav et stabilt og langtidsholdbart batteri med høj energi.

"Denne nye katodekemi fungerer tilfældigvis ideelt i vores tidligere udviklede 'vand-i-salt' vandige elektrolyt, hvilket gør det endnu mere unikt - det kombinerer høj energitæthed af ikke-vandige systemer med høj sikkerhed for vandige systemer, " sagde en co-første forfatter af papiret, Chongyin Yang, en assisterende forsker i UMD-afdelingen for kemisk &biomolekylær ingeniørvidenskab.

"Denne nye 'Conversion-Intercalation'-kemi arver den høje energi af konvertering-reaktion og den fremragende reversibilitet fra interkalation af grafit, " sagde Ji Chen, med-førsteforfatter af papiret og en forskningsmedarbejder i afdelingen for kemisk og biomolekylær ingeniørvidenskab.

Holdet af forskere - ledet af Chunsheng Wang, ChBE Professor med dobbeltansættelse i Institut for Kemi og Biokemi; Kang Xu, ARL-stipendiat; og Oleg Borodin, ARL videnskabsmand - har avanceret batteriet til et testbart stadie:på størrelse med en lille knap, bruges typisk som testkøretøj i forskningslaboratorier. Mere forskning er nødvendig for at skalere det op til en praktisk, fremstilleligt batteri.

Energioutputtet fra det vandbaserede batteri rapporteret i denne undersøgelse kan prale af 25 % øget energitæthed af et almindeligt mobiltelefonbatteri baseret på brændbare organiske væsker, men er meget sikrere. Den nye katode er i stand til at holde 240 milliampere per gram i en times drift, omkring det dobbelte af en typisk katode, der i øjeblikket findes i mobiltelefoner og bærbare computere.

Vand-i-salt-batteriet kan i sidste ende bruges i applikationer, der involverer store energier på kilowatt- eller megawatt-niveauer, eller hvor batterisikkerhed og toksicitet er primære bekymringer, inklusive ikke-brændbare batterier til fly, flådefartøjer, eller rumskibe.