Ny nanostruktureret legering til anode er et stort skridt mod at revolutionere energilagring

Forskere ved Oregon State University College of Engineering har udviklet en batterianode baseret på en ny nanostruktureret legering, der kan revolutionere den måde, energilagringsenheder designes og fremstilles på.

Den zink- og manganbaserede legering åbner yderligere døren til at erstatte opløsningsmidler, der almindeligvis anvendes i batterielektrolytter, med noget meget mere sikkert og billigt, samt rigeligt:​​havvand.

Resultaterne blev offentliggjort i Naturkommunikation .

"Verdens energibehov stiger, men udviklingen af ​​næste generations elektrokemiske energilagringssystemer med høj energitæthed og lang levetid er fortsat teknisk udfordrende, " sagde Zhenxing Feng, en kemiteknisk forsker ved OSU. "Vandige batterier, som bruger vandbaserede ledende opløsninger som elektrolytter, er et spirende og meget sikrere alternativ til lithium-ion-batterier. Men energitætheden af ​​vandige systemer har været forholdsvis lav, og også vandet vil reagere med lithium, hvilket yderligere har hindret vandige batteriers udbredte brug."

Et batteri lagrer strøm i form af kemisk energi og omdanner den gennem reaktioner til den elektriske energi, der er nødvendig for at drive køretøjer, mobiltelefoner, bærbare computere og mange andre enheder og maskiner. Et batteri består af to terminaler - anode og katode, typisk lavet af forskellige materialer - såvel som en separator og elektrolyt, et kemisk medium, der tillader strømmen af ​​elektrisk ladning.

I et lithium-ion batteri, som navnet antyder, en ladning føres via lithiumioner, når de bevæger sig gennem elektrolytten fra anoden til katoden under afladning, og tilbage igen under genopladning.

"Elektrolytter i lithium-ion-batterier er almindeligvis opløst i organiske opløsningsmidler, som er brandfarlige og ofte nedbrydes ved høje driftsspændinger, " sagde Feng. "Derfor er der naturligvis sikkerhedsmæssige bekymringer, herunder med lithiumdendritvækst ved elektrode-elektrolytgrænsefladen; der kan forårsage kortslutning mellem elektroderne."

Dendritter ligner små træer, der vokser inde i et lithium-ion-batteri og kan gennembore separatoren som tidsler, der vokser gennem revner i en indkørsel; resultatet er uønskede og nogle gange usikre kemiske reaktioner.

Forbrændingshændelser, der involverer lithium-ion-batterier i de seneste år, omfatter en flamme på et parkeret Boeing 787-jetfly i 2013, eksplosioner i Galaxy Note 7-smartphones i 2016 og Tesla Model S-brande i 2019.

Vandige batterier er et lovende alternativ til sikker og skalerbar energilagring, sagde Feng. Vandige elektrolytter er omkostningskonkurrencedygtige, miljøvenlig, i stand til hurtig opladning og høj effekttæthed og meget tolerant over for fejlhåndtering.

Deres storstilede brug, imidlertid, er blevet hindret af en begrænset udgangsspænding og lav energitæthed (batterier med en højere energitæthed kan lagre større mængder energi, mens batterier med en højere effekttæthed kan frigive store mængder energi hurtigere).

Men forskere ved Oregon State, University of Central Florida og University of Houston har designet en anode, der består af en tredimensionel "zink-M-legering" som batterianode - hvor M refererer til mangan og andre metaller.

"Brugen af ​​legeringen med dens specielle nanostruktur undertrykker ikke kun dendritdannelse ved at kontrollere overfladereaktionens termodynamik og reaktionskinetikken, det viser også super-høj stabilitet over tusindvis af cyklusser under barske elektrokemiske forhold, " Feng sagde. "Brugen af ​​zink kan overføre dobbelt så mange ladninger end lithium, dermed forbedre energitætheden af ​​batteriet.

"Vi testede også vores vandige batteri med havvand, i stedet for deioniseret vand med høj renhed, som elektrolytten, " tilføjede han. "Vores arbejde viser det kommercielle potentiale for storstilet fremstilling af disse batterier."

Feng og ph.d. studerende Maoyu Wang brugte røntgenabsorptionsspektroskopi og billeddannelse til at spore de atomare og kemiske ændringer af anoden i forskellige driftsstadier, som bekræftede, hvordan 3-D-legeringen fungerede i batteriet.

"Vores teoretiske og eksperimentelle undersøgelser viste, at 3-D legeringsanoden har en hidtil uset grænsefladestabilitet, opnås ved en gunstig diffusionskanal af zink på legeringsoverfladen, " Feng sagde. "Konceptet demonstreret i dette samarbejde vil sandsynligvis bringe et paradigmeskift i designet af højtydende legeringsanoder til vandige og ikke-vandige batterier, revolutionerer batteriindustrien."