Onderzoekers boeken vooruitgang bij de ontwikkeling van oplaadbare batterijen op basis van kalium, een potentieel alternatief voor lithium dat minder duur en veel overvloediger is, en hebben ook laten zien hoe koolstof voor batterij-elektroden uit oude banden kan worden afgeleid.

"Met de groei van oplaadbare batterijen voor elektronische apparaten, elektrische voertuigen en elektriciteitsnettoepassingen, er is een groeiende bezorgdheid over de duurzaamheid en de kosten van lithium, " zei Vilas G. Pol, een universitair hoofddocent aan de Davidson School of Chemical Engineering aan de Purdue University. "In het laatste decennium, er is snelle vooruitgang geboekt bij het onderzoek naar metaal-ionbatterijen die verder gaan dan lithium, zoals natrium en kalium."

Vanwege de grotere overvloed en lagere kosten, kalium is veelbelovend voor grootschalige elektriciteitsopslag op het elektriciteitsnet.

"De intermitterende energie die wordt opgewekt uit zon en wind vereist nieuwe energieopslagsystemen voor het net, " zei Pol. "Echter, de beperkte wereldwijde beschikbaarheid van lithiumbronnen en de hoge extractiekosten belemmeren de toepassing van lithium-ionbatterijen voor dergelijke grootschalige energieopslag. Dit vereist alternatieve energieopslagapparaten die zijn gebaseerd op aarde-overvloedige elementen."

Kalium is ongeveer acht keer overvloediger dan lithium en een tiende van de kosten, hij zei.

Deze maand zijn er drie onderzoekspapers over het kalium-ionbatterijwerk gepubliceerd, in samenwerking met het Oak Ridge National Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie en de National Cheng Kung University in Taiwan.

"We zijn dit programma bijna een jaar geleden gestart, en er zijn niet veel groepen in de wereld die werken aan kalium-ionbatterijen, ' zei Pol.

De drie artikelen zijn gepubliceerd in ACS toegepaste materialen en interfaces , Chemische communicatie en de Tijdschrift van de Electrochemical Society .

In één krant, de onderzoekers beschrijven een nieuw ontwerp met koolstofnanovezels als anode. Batterijen hebben twee elektroden, een anode en een kathode genoemd. De anodes in de meeste lithium-ionbatterijen van tegenwoordig zijn gemaakt van grafiet. Lithium-ionen zitten in een vloeistof die elektrolyt wordt genoemd, en deze ionen worden tijdens het opladen in de anode opgeslagen.

Nieuwe bevindingen toonden aan dat batterijen met anodes gemaakt van koolstofnanovezels veelbelovend zijn. Het papier is verkrijgbaar bij DOI:10.1021/acsami.7b02476.

"De koolstof-nanovezels tonen een groot potentieel als anodemateriaal voor kalium-ionbatterijen, " zei Pol. "We hebben batterijen voor maximaal 1 900 laad-ontlaadcycli, wat vrij opmerkelijk is."

De koolstof-nanovezels zijn gemaakt met een proces dat elektrospinnen wordt genoemd, waar hoogspanning wordt gebruikt om een ​​geladen polymere oplossing tussen twee elektroden te trekken, en de polymeervezels worden vervolgens omgezet in koolstofvezels.

De batterijen vertoonden "redelijke capaciteit" na slechts zes minuten te zijn opgeladen, met een capaciteit van 110 milliampère uur per gram, een derde van de capaciteit die wordt bereikt na 10 uur conventioneel opladen van lithium-ionbatterijen, hij zei.

"Gebruikelijk, je zou al na zes minuten een zeer beperkte capaciteit krijgen omdat dat niet genoeg tijd is om een ​​conventionele batterij op te laden, " zei Pol. "Echter, koolstof nanovezels zorgen ervoor dat de batterij veel sneller kan worden opgeladen omdat de ionen maar een zeer korte afstand hoeven af ​​te leggen. De typische batterij van een mobiele telefoon bevat deeltjes met een diameter van 15-20 micrometer, wat een veel grotere afstand is dan deze vezelachtige architectuur, en daarom duurt het twee tot drie uur om je telefoon op te laden."

Het ontwerp elimineert de noodzaak van een "bindmiddel, " of een polymeergel om grafietpoeder op zijn plaats te houden. Een nanovezelnetwerk houdt in plaats daarvan de kaliumdeeltjes vast, een benadering die het gewicht van de batterij zou kunnen verminderen.

De nanovezels waren "zuurstofgefunctionaliseerd, " wat betekent dat zuurstofmoleculen aan hun oppervlak zijn bevestigd, het verminderen van verdere corrosie van de zure elektrolyt. Ze werden ook gefunctionaliseerd met stikstofmoleculen om de elektrische geleidbaarheid te verhogen.

In een tweede paper, plaatachtige structuren van keramiek, elektrisch geleidende materialen, MXenes genaamd, werden gebruikt om een ​​nieuw type kalium-ionbatterij te maken.

Tijdens het laadproces, ionen zouden intercaleren, wat betekent dat ze door elektrische stroom worden gedwongen om tussen de lagen van de koolstofanode te bewegen, het opbouwen van een lading. Omdat kalium een ​​grotere atoomdiameter heeft dan lithium, het is moeilijker voor het om te intercaleren.

Echter, MXenes kan onderzoekers in staat stellen dit obstakel te omzeilen. De onderzoekers zijn de eersten die bevindingen rapporteren over de prestaties van plaatachtige elektrodestructuren gemaakt van een MXene genaamd titaniumcarbonitride.

"Normaal gesproken is keramiek niet elektrochemisch actief, maar MXenes zijn omdat je een baksteenachtige structuur hebt, en de ionen kunnen tijdens het opladen tussen deze stenen worden gestoken, " zei Pol. "We hebben aangetoond dat kalium effectief oplaadt en ontlaadt als je de morfologie en structuur van het materiaal afstemt."

Het gebruik van kalium kan ook goedkopere batterijen opleveren door koper te vervangen door aluminium als "stroomafnemer" voor anodes. Voor lithium-ionbatterijen is koper nodig, terwijl aluminium in plaats daarvan kan worden gebruikt in de kalium-ionbatterijen.

In een derde paper, koolstof werd afgeleid van afvalbanden om koolstofanoden te maken voor een kalium-ionbatterij. De banden werden gereduceerd tot een vorm van koolstof die harde koolstof wordt genoemd door een chemisch behandelingsproces gevolgd door een procedure die pyrolyse wordt genoemd. Het papier is verkrijgbaar bij DOI:10.1149/2.1391706jes.

"Het recyclen van rubber van afgedankte banden is van cruciaal belang, aangezien de afgedankte banden een ernstige bedreiging vormen voor het milieu en de gezondheid van onze samenleving. ' zei Pol. 'Hier, we melden een nieuwe toepassing voor harde koolstofmaterialen afkomstig van afvalbanden als anodes in kalium-ionbatterijen."

In harde koolstof, koolstoflagen zijn willekeurig gerangschikt, en deze ongeordende opstelling vergemakkelijkt de intercalatie van kaliumionen.

"Deze studie laat zien hoe materiaaltechnologie van koolstof enkele van de problemen kan aanpakken die het gevolg zijn van omvangrijkere kalium-ion-intercalatie, en kan mogelijke strategieën opleveren om de prestaties van deze batterijen in de toekomst te verbeteren, " hij zei.

Purdue, afgestudeerde student chemische technologie, Ryan A. Adams, leidde een groot deel van het onderzoek. Zijn onderzoek wordt mede geleid door Vilas Pol en Arvind Varma, R. Games Slayter Distinguished Professor of Chemical Engineering. Een volledige lijst van de co-auteurs van de papers is beschikbaar in de abstracts.