Onderzoekers van de Universiteit van Maryland (UMD) en het US Army Research Lab (ARL) hebben een cruciale stap gezet op weg naar energierijke batterijen door hun water-in-zoutbatterij te verbeteren met een nieuw type chemische transformatie van de kathode die zorgt voor een omkeerbare vaste zoutlaag, een nog onbekend fenomeen op het gebied van batterijen op waterbasis.

Voortbouwend op hun eerdere ontdekkingen van de water-in-zoutelektrolyten gerapporteerd in Wetenschap in 2015, de onderzoekers voegden een nieuwe kathode toe. Dit nieuwe kathodemateriaal, geen overgangsmetaal, werkt op een gemiddeld potentiaal van 4,2 volt met uitstekende fietsstabiliteit, en levert een ongekende energiedichtheid vergelijkbaar, of misschien hoger dan, niet-waterige Li-ion batterijen. De auteurs rapporteren hun werk op 9 mei in het tijdschrift Natuur .

"Het onderzoek van de Universiteit van Maryland en ARL heeft de meest creatieve nieuwe batterijchemie opgeleverd die ik in minstens 10 jaar heb gezien, " zei Prof. Jeffrey Dahn van de Dalhousie University in Canada, een deskundige op het gebied die niet aan het onderzoek is gelieerd. "Echter, het valt nog te bezien of er een praktisch apparaat met een lange levensduur kan worden gecreëerd."

Gebruikmakend van de omkeerbare intercalatie van halogenen in grafietstructuren, mogelijk gemaakt door een supergeconcentreerde waterige elektrolyt, het team genereerde een energiedichtheid die eerder voor onmogelijk werd gehouden. De onderzoekers ontdekten dat de supergeconcentreerde oplossing van de water-in-zoutbatterij, gecombineerd met het vermogen van grafietanodes om automatisch een beschermende laag in de batterij te bouwen en opnieuw te vormen, gaf een stabiele en langdurige batterij met hoge energie.

"Deze nieuwe kathodechemie werkt ideaal in onze eerder ontwikkelde 'water-in-zout' waterige elektrolyt, wat het nog unieker maakt:het combineert een hoge energiedichtheid van niet-waterige systemen met een hoge veiligheid van waterige systemen, " zei een mede-eerste auteur van het artikel, Chongyin Yang, een assistent-onderzoeker in de UMD-afdeling van chemische en biomoleculaire engineering.

"Deze nieuwe 'conversie-intercalatie'-chemie erft de hoge energie van conversie-reactie en de uitstekende omkeerbaarheid van intercalatie van grafiet, " zei Ji Chen, co-eerste auteur van het papier en een onderzoeksmedewerker in de afdeling chemische en biomoleculaire engineering.

Het team van onderzoekers, geleid door Chunsheng Wang, ChBE hoogleraar met een dubbele aanstelling bij de vakgroep Scheikunde en Biochemie; Kang Xu, ARL-fellow; en Oleg Borodin, ARL-wetenschapper - hebben de batterij in een testbare fase gebracht:de grootte van een kleine knop, meestal gebruikt als testvoertuig in onderzoekslaboratoria. Er is meer onderzoek nodig om het op te schalen naar een praktisch, maakbare batterij.

De energie-output van de batterij op waterbasis die in dit onderzoek wordt gerapporteerd, heeft een 25% hogere energiedichtheid van een gewone batterij voor mobiele telefoons op basis van ontvlambare organische vloeistoffen, maar is veel veiliger. De nieuwe kathode kan 240 milliampère per gram bevatten voor een bedrijfsuur, ongeveer het dubbele van een typische kathode die momenteel wordt aangetroffen in mobiele telefoons en laptops.

De water-in-zoutbatterij zou uiteindelijk kunnen worden gebruikt in toepassingen met grote energieën op kilowatt- of megawattniveaus, of waar de veiligheid en toxiciteit van batterijen de belangrijkste zorgen zijn, inclusief onbrandbare batterijen voor vliegtuigen, marineschepen, of ruimteschepen.