Een onderzoeksteam van de Universiteit van Osaka heeft een nieuwe vooruitgang gemeld in het ontwerp van materialen voor gebruik in oplaadbare batterijen, onder hoge luchtvochtigheid. Gebruikmakend van inspiratie van levende cellen die kleinere deeltjes kunnen blokkeren maar grotere deeltjes doorlaten, de onderzoekers konden een materiaal maken met zeer mobiele kaliumionen die gemakkelijk kunnen migreren als reactie op elektrische velden. Dit werk kan ertoe bijdragen dat oplaadbare batterijen veilig en goedkoop genoeg zijn om de kosten van elektrische auto's en draagbare consumentenelektronica drastisch te verlagen.

Oplaadbare lithium-ionbatterijen worden veel gebruikt in laptops, telefoons, en zelfs elektrische en hybride auto's. Helaas, deze batterijen zijn duur, en het is zelfs bekend dat ze af en toe in vlammen opgaan. Nieuwe materialen die geen lithium gebruiken, kunnen de kosten verlagen en de veiligheid van deze batterijen verbeteren, en het potentieel hebben om de adoptie van energiezuinige elektrische auto's aanzienlijk te versnellen. Zowel natrium- als kaliumionen zijn potentiële kandidaten die kunnen worden gebruikt om lithium te vervangen, omdat ze goedkoop en in grote hoeveelheden zijn. Echter, natrium- en kaliumionen zijn veel grotere ionen dan lithium, dus ze bewegen traag door de meeste materialen. Deze positieve ionen worden verder afgeremd door de sterke aantrekkingskracht op de negatieve ladingen in kristallijne materialen. "Kaliumionen hebben een lage mobiliteit in vaste toestand vanwege hun grote omvang, wat een nadeel is voor het maken van batterijen, " legt de corresponderende auteur Takumi Konno uit.

Om dit probleem op te lossen, de onderzoekers gebruikten hetzelfde mechanisme dat uw cellen gebruiken om de grote kaliumionen door hun membranen te laten gaan en tegelijkertijd kleinere deeltjes buiten te houden. Levende systemen bereiken deze schijnbaar onmogelijke prestatie door niet alleen naar het ion zelf te kijken, maar ook de omringende watermoleculen, de "hydratatielaag" genoemd, " die worden aangetrokken door de positieve lading van het ion. In feite, hoe kleiner het ion, hoe groter en strakker de bijbehorende hydratatielaag zal zijn. Gespecialiseerde kaliumkanalen in celmembranen hebben precies de juiste grootte om gehydrateerde kaliumionen door te laten, maar blokkeren de grote hydratatielagen van kleinere ionen.

De onderzoekers ontwikkelden een ionisch kristal met behulp van rhodium, zink, en zuurstofatomen. Net als bij de selectieve biologische kanalen, de mobiliteit van de ionen in het kristal bleek hoger te zijn voor de grotere kaliumionen, vergeleken met de kleinere lithiumionen. In feite, de kaliumionen verplaatsten zich zo gemakkelijk, het kristal werd geclassificeerd als een "superionische geleider". De onderzoekers ontdekten dat het huidige materiaal de grootste mobiliteit van gehydrateerde kaliumionen heeft die ooit is gezien.

"Opmerkelijk, het kristal vertoonde een bijzonder hoge ionengeleiding vanwege de snelle migratie van gehydrateerde kaliumionen in het kristalrooster", zegt hoofdauteur Nobuto Yoshinari. "Een dergelijke superionische geleidbaarheid van gehydrateerde kaliumionen in de vaste toestand is ongekend, en kan leiden tot zowel veiligere als goedkopere oplaadbare batterijen."