Elektrolytboost forbedrer ydeevnen af ​​vandige dual-ion-batterier

Udbredt anvendelse af vedvarende energi i elnettet kræver den rigtige slags batteri – et, der er sikkert, bæredygtig, magtfulde, langvarig, og lavet af materialer, der er rigelige og etisk fremskaffede.

Tak til forskere ved Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), vi kan være et skridt tættere på at realisere den vision.

I samarbejde med kolleger fra Argonne National Laboratory og MEET Battery Research Center ved universitetet i Münster i Tyskland, PNNL-materialeforsker og Linus Pauling Distinguished Postdoc Fellow, Ismael Rodríguez Pérez, formuleret en ny type cellekemi til dual-ion batterier (DIB). Den nye DIB kemi, kaldet grafit||zink metal vandigt dual-ion batteri, bruger en zinkanode og en naturlig grafitkatode i en vandig-eller "vand-i-bisalt"-elektrolyt.

Vellykket brug af en grafitkatode i en vandig elektrolyt

Brugen af ​​vandige elektrolytter er ikke ny, heller ikke brugen af ​​grafit. Faktisk, lithium-ion (Li-ion) batterier bruger grafit som anodekomponent, og ikke-vandige DIB'er bruger grafit som både anoden og katoden. Det nye er at kombinere de to i en ny kemi.

At gøre det, Rodríguez Pérez og hans team gav den vandige elektrolyt et ekstra løft ved at bruge en højkoncentreret "vand-i-bisalt"-opløsning. Opløsningen udvider elektrolyttens elektrokemiske stabilitetsvindue og muliggør grafit som katodemateriale i et praktisk vandigt system - noget, der tidligere var anset for umuligt. Dette hjælper med at stabilisere elektrolytten ved høje spændinger, tillader grafitten at elektrokemisk oxidere før den vandige elektrolyt.

"Det er bare en stor mashup af virkelig fede ting sat sammen, "sagde Rodríguez Pérez." Koncentrationen af ​​saltioner er så utrolig høj, det er næsten som om der ikke er vand mere. Så, den vandige elektrolyt nedbrydes ikke i spændinger, hvor den normalt ville tillader brug af grafit. Det er det mest fantastiske resultat i dette. "

Rodríguez Pérez bygger på tidligere forskning foretaget af Kang Xu fra United States Army Research Laboratory og Chunsheng Wang fra University of Maryland, som først udviklede disse højkoncentrerede vandige elektrolytter i 2015.

Batteriet viste lovende ydeevne under test. Ved cirka 2,3 til 2,5 volt, det opnåede et af de højeste driftspotentialer for ethvert vandigt batteri.

"Vi arbejder ved højere spændinger end noget andet vandigt zinkbatteri og også alle andre vandige dual-ion batterier, " tilføjede Rodríguez Pérez.

Rodríguez Pérez og hans samarbejdspartnere beskrev den nye type battericellekemi i papiret, "Aktivering af naturlig grafit i højspændingsvandig grafit Zn Metal Dual-Ion batterier, ", der blev offentliggjort sidste efterår i Avancerede energimaterialer .

Sikrere og mere bæredygtige batterier

Men den nye cellekemi forbedrer ikke kun batteriets ydeevne, det er også bedre for miljøet.

Katoder lavet af meget rigelige kulstofbaserede materialer, som naturlig grafit, er billigere og mere bæredygtige end miljøskadelige, knap, og dyre metaller, som nikkel og kobolt, bruges jævnligt i Li-ion batterier. Brug af en vandig elektrolyt gør også DIB'er sikrere, da de er ikke-brændbare sammenlignet med kommercielle Li-on-batterier, som udelukkende anvender ikke-vandige elektrolytter.

"I batteriforskning, vi forsøger at opnå flere resultater, der er afgørende for markedsvækst og adoption, "sagde Rodríguez Pérez." Vi vil bruge mere rigeligt, billigere, og mere bæredygtige materialer, og vigtigst af alt øger batteriets levetid og opretholder moderat energitæthed. "

"Cellekemien af ​​grafit || zinkmetal med den specialdesignede vandige elektrolyt kan udvise fordele med hensyn til omkostninger, bæredygtighed, og sikkerhed sammenlignet med Li-ion batterier, på grund af de anvendte materialer, "forklarer Tobias Placke, gruppeleder for materialer på MEET Battery Research Center.

I DIB'er, både den positive katode og den negative elektrode kan være lavet af billige kulstofbaserede materialer som grafit. Dette gør DIB'er til en særlig lovende løsning til at understøtte den udbredte anvendelse af vedvarende energikilder, som vind og sol til elnettet.

Men indtil nu, brugen af ​​grafit som katode er blevet begrænset af vands snævre elektrokemiske stabilitet, som lukker ud ved 1,23 volt. Det elektrokemiske stabilitetsvindue er det potentialeområde, mellem hvilket elektrolytten hverken oxideres eller reduceres (nedbrydes). og en vigtig målepind til effektiviteten af ​​en elektrolyt i kontakt med en elektrode. Grafit ville kræve et meget bredere stabilitetsvindue.

Og det er lige hvad denne nye cellekemi gør.

Spændende potentiale for stationær netenergilagring

Mekanikken i DIB'er er, hvad der gør det til en særlig attraktiv mulighed for elnettet.

Generelt sagt, hver battericelle har tre hoveddele:en positiv elektrode kaldet en katode, en negativ elektrode kaldet en anode, og en elektrolyt. I Li-ion batterier, strøm genereres, når Li-ionerne (positivt ladede ioner eller kationer) strømmer fra katoden til anoden og tilbage igen i en gyngestolsbevægelse gennem elektrolytten. Dette afbalancerer ladningen, når elektroner strømmer gennem et eksternt kredsløb fra katoden til anoden, skabe elektricitet.

I DIB'er, både kationer og anioner (negativt ladede ioner) er aktive og bevæger sig parallelt fra elektrolytten til anoden og katoden, henholdsvis, på en harmonika-lignende måde; dette giver mulighed for potentielt kraftfulde applikationer, som superkapacitorer, mens du stadig er i stand til at bruge moderat høj energi, som batterier. Desuden, denne mekanisme gør ionerne i elektrolytten aktiv, giver mulighed for yderligere optimering af batteriet.

Men der er stadig arbejde at gøre. DIB'er yder stadig kun omkring en tredjedel af kapaciteten af ​​Li-on batterier - så de kan ikke konkurrere, endnu. Li-on batterier har stadig en af ​​de højeste energitætheder af ethvert sammenligneligt system, hvilket betyder, at de kan give en betydelig mængde energi og stadig forblive små. Denne fordel er en af ​​hovedårsagerne til, at de bruges i mobilapplikationer, som smartphones og elbiler.

Men Rodríguez Pérez ser en løsning på det:lav DIB'er tre gange større.

"Hvis vi kan opnå en høj nok spænding til batteriet, selvom ydelsen ikke er på niveau med lithium-ion-batterier, vi kan gøre dual-ion-batterier større og gøre dem til en egnet kandidat til netopbevaringsapplikationer, " sagde Rodríguez Pérez. "Selvom du måske ikke kan bruge den til at drive din telefon, dit lokale værk kan bruge det til at lagre energi til dit hjem, stabilisere nettet, og øge pålideligheden. "

En lys fremtid for dual-ion-batterier

International Union of Pure and Applied Chemistry listede DIB'er som en af ​​"Top Ti nye teknologier i kemi 2020" for at anerkende deres potentiale i at løse "store globale problemer" i fremtiden.

At fortsætte med at udvikle videnskaben bag netenergilagringsbatterier kan give nye tilgange og nye cellekemier og bringe os endnu tættere på en udbredt anvendelse af vedvarende energikilder til det elektriske elnet.

Og det er lige hvad Rodríguez Pérez og hans team hos PNNL har til hensigt at gøre. Det næste trin indebærer optimering af den vandige "vand-i-bisalt" elektrolyt-i øjeblikket er saltet, der bruges i cellekemien, dyrere end begge elektroder.

"PNNL er i stueetagen med denne lovende teknologi, "sagde Rodríguez Pérez." Der er så meget plads til innovation i dual-ion-batterier. "