Wijdverbreide acceptatie van hernieuwbare energie in het elektriciteitsnet vereist de juiste soort batterij - een die veilig, duurzaam, krachtig, langdurig, en gemaakt van materialen die overvloedig en ethisch geproduceerd zijn.

Dankzij wetenschappers van Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), we zijn misschien een stap dichter bij het realiseren van die visie.

In samenwerking met collega's van het Argonne National Laboratory en het MEET Battery Research Center aan de Universiteit van Münster in Duitsland, PNNL materiaalwetenschapper en Linus Pauling Distinguished Postdoctoral Fellow, Ismael Rodríguez Perez, formuleerde een nieuw type celchemie voor dual-ion batterijen (DIB). De nieuwe DIB-chemie, genaamd grafiet||zinkmetaal waterige dubbele ionenbatterij, gebruikt een zinkanode en een natuurlijke grafietkathode in een waterige - of "water-in-bisalt" -elektrolyt.

Met succes een grafietkathode gebruiken in een waterige elektrolyt

Het gebruik van waterige elektrolyten is niet nieuw, noch het gebruik van grafiet. In feite, lithium-ion (Li-ion) batterijen gebruiken grafiet als anodecomponent, en niet-waterige DIB's gebruiken grafiet als zowel de anode als de kathode. Wat nieuw is, is de twee combineren in een nieuwe chemie.

Om dat te doen, Rodríguez Pérez en zijn team gaven de waterige elektrolyt een extra boost door een sterk geconcentreerde "water-in-bisalt"-oplossing te gebruiken. De oplossing vergroot het elektrochemische stabiliteitsvenster van de elektrolyt en maakt grafiet mogelijk als kathodemateriaal in een praktisch waterig systeem - iets dat eerder als onmogelijk werd beschouwd. Dit helpt de elektrolyt bij hoge spanningen te stabiliseren, waardoor het grafiet elektrochemisch kan oxideren voor het waterige elektrolyt.

"Het is gewoon een grote mashup van echt coole dingen bij elkaar, " zei Rodríguez Pérez. "De concentratie van zoutionen is zo ongelooflijk hoog, het is bijna alsof er geen water meer is. Dus, de waterige elektrolyt ontleedt niet in spanningen waar het normaal zou zijn, waardoor het gebruik van grafiet mogelijk is. Dat is de meest verbazingwekkende uitkomst hierin."

Rodríguez Pérez bouwt voort op eerder onderzoek uitgevoerd door Kang Xu van het United States Army Research Laboratory en Chunsheng Wang van de University of Maryland, die deze hooggeconcentreerde waterige elektrolyten in 2015 voor het eerst ontwikkelde.

De batterij toonde veelbelovende prestaties tijdens het testen. Bij ongeveer 2,3 tot 2,5 volt, het bereikte een van de hoogste operationele mogelijkheden van alle waterige batterijen.

"We werken op hogere spanningen dan elke andere waterige zinkbatterij en ook alle andere waterige dual-ionbatterijen, ", voegde Rodríguez Pérez eraan toe.

Rodríguez Pérez en zijn medewerkers beschreven het nieuwe type batterijcelchemie in de krant, "Natuurlijk grafiet inschakelen in hoogspannings waterig grafiet Zn-metaal dual-ionbatterijen, " die afgelopen herfst gepubliceerd werd in Geavanceerde energiematerialen .

Veiligere en duurzamere batterijen

Maar de nieuwe celchemie verbetert niet alleen de batterijprestaties, het is ook beter voor het milieu.

Kathoden gemaakt van zeer overvloedige op koolstof gebaseerde materialen, zoals natuurlijk grafiet, zijn goedkoper en duurzamer dan milieubelastend, schaars, en dure metalen, zoals nikkel en kobalt, regelmatig gebruikt in Li-ion batterijen. Het gebruik van een waterige elektrolyt maakt DIB's ook veiliger omdat ze niet-ontvlambaar zijn in vergelijking met commerciële Li-on-batterijen, die uitsluitend niet-waterige elektrolyten gebruiken.

"Bij batterijonderzoek we proberen verschillende resultaten te bereiken die cruciaal zijn voor marktgroei en acceptatie, " zei Rodríguez Pérez. "We willen meer overvloedige, minder duur, en duurzamere materialen, terwijl het vooral de levensduur van de batterij verlengt en de matige energiedichtheid handhaaft."

"De celchemie van grafiet || zinkmetaal met de speciaal ontworpen waterige elektrolyt kan voordelen opleveren met betrekking tot kosten, duurzaamheid, en veiligheid in vergelijking met Li-ion batterijen, door de gebruikte materialen, " legt Tobias Placke uit, groepsleider materialen bij MEET Battery Research Center.

In DIB's, zowel de positieve kathode als de negatieve elektrode kunnen worden gemaakt van goedkope op koolstof gebaseerde materialen zoals grafiet. Dit maakt DIB's een bijzonder veelbelovende oplossing om de wijdverbreide invoering van hernieuwbare energiebronnen te ondersteunen, zoals wind en zon voor het elektriciteitsnet.

Maar tot nu toe, het gebruik van grafiet als kathode is beperkt door de beperkte elektrochemische stabiliteit van water, die eindigt op 1,23 volt. Het elektrochemische stabiliteitsvenster is het potentiaalbereik waartussen de elektrolyt niet wordt geoxideerd of gereduceerd (ontleed), en een belangrijke meetlat voor de efficiëntie van een elektrolyt in contact met een elektrode. Grafiet zou een veel breder stabiliteitsvenster vereisen.

En dat is precies wat deze nieuwe celchemie doet.

Spannend potentieel voor energieopslag in stationair elektriciteitsnet

De mechanica van DIB's maakt het een bijzonder aantrekkelijke optie voor het elektriciteitsnet.

In het algemeen, elke batterijcel heeft drie hoofdonderdelen:een positieve elektrode, een kathode genaamd, een negatieve elektrode, een anode genaamd, en een elektrolyt. Bij Li-ion-batterijen, stroom wordt opgewekt wanneer de Li-ionen (positief geladen ionen of kationen) van de kathode naar de anode stromen en weer terug in een schommelstoelbeweging door de elektrolyt. Dit balanceert de lading wanneer elektronen door een extern circuit van de kathode naar de anode stromen, elektriciteit creëren.

In DIB's, zowel kationen als anionen (negatief geladen ionen) zijn actief en bewegen parallel van de elektrolyt naar de anode en kathode, respectievelijk, op een accordeonachtige manier; dit maakt potentieel krachtige toepassingen mogelijk, zoals supercondensatoren, terwijl het nog steeds in staat is om matig veel energie te gebruiken, zoals batterijen. Verder, dit mechanisme maakt de ionen in de elektrolyt actief, waardoor een verdere optimalisatie van de batterij mogelijk is.

Maar er is nog werk aan de winkel. DIB's presteren nog steeds op slechts ongeveer een derde van de capaciteit van Li-on-batterijen, dus ze kunnen niet concurreren, nog. Li-on-batterijen hebben nog steeds een van de hoogste energiedichtheden van elk vergelijkbaar systeem, wat betekent dat ze een aanzienlijke hoeveelheid energie kunnen leveren en toch klein blijven. Dit voordeel is een van de belangrijkste redenen waarom ze worden gebruikt in mobiele toepassingen, zoals smartphones en elektrische auto's.

Maar Rodríguez Pérez ziet daar een oplossing voor:DIB's drie keer groter maken.

"Als we een voldoende hoge spanning voor de batterij kunnen bereiken, zelfs als de prestaties niet vergelijkbaar zijn met lithium-ionbatterijen, we kunnen dual-ion-batterijen groter maken en ze een geschikte kandidaat maken voor toepassingen voor energieopslag in het elektriciteitsnet, " zei Rodríguez Pérez. "Hoewel je het misschien niet kunt gebruiken om je telefoon van stroom te voorzien, uw lokale nutsbedrijf kan het gebruiken om energie op te slaan voor uw huis, het raster stabiliseren, en de betrouwbaarheid te vergroten."

Een mooie toekomst voor dual-ion-batterijen

De International Union of Pure and Applied Chemistry heeft DIB's vermeld als een van de "Top tien opkomende technologieën in de chemie 2020" om het potentieel ervan te erkennen bij het oplossen van "grote mondiale problemen" in de toekomst.

Doorgaan met het ontwikkelen van de wetenschap achter energieopslagbatterijen voor het elektriciteitsnet kan nieuwe benaderingen en nieuwe celchemie opleveren en ons nog dichter bij de wijdverbreide acceptatie van hernieuwbare energiebronnen voor het elektriciteitsnet brengen.

En dat is precies wat Rodríguez Pérez en zijn team bij PNNL van plan zijn te doen. De volgende stap omvat het optimaliseren van de waterige "water-in-bisalt" elektrolyt - momenteel is het zout dat in de celchemie wordt gebruikt duurder dan beide elektroden.

"PNNL zit op de begane grond met deze veelbelovende technologie, " zei Rodríguez Pérez. "Er is zoveel ruimte voor innovatie in dual-ion batterijen."