Metaal-luchtbatterijen zijn een van de lichtste en meest compacte soorten batterijen die verkrijgbaar zijn, maar ze kunnen een grote beperking hebben:wanneer ze niet in gebruik zijn, ze verslechteren snel, omdat corrosie hun metalen elektroden wegvreet. Nutsvoorzieningen, MIT-onderzoekers hebben een manier gevonden om die corrosie aanzienlijk te verminderen, waardoor dergelijke batterijen veel langer houdbaar zijn.

Terwijl typische oplaadbare lithium-ionbatterijen slechts ongeveer 5 procent van hun lading verliezen na een maand opslag, ze zijn te duur, omvangrijk, of zwaar voor vele toepassingen. Primaire (niet-oplaadbare) aluminium-luchtbatterijen zijn veel goedkoper en compacter en lichter, maar ze kunnen wel 80 procent van hun lading per maand kwijtraken.

Het MIT-ontwerp lost het probleem van corrosie in aluminium-luchtbatterijen op door een oliebarrière aan te brengen tussen de aluminiumelektrode en de elektrolyt - de vloeistof tussen de twee batterij-elektroden die het aluminium aanvreet wanneer de batterij op stand-by staat. De olie wordt snel weggepompt en vervangen door elektrolyt zodra de batterij wordt gebruikt. Als resultaat, het energieverlies wordt teruggebracht tot slechts 0,02 procent per maand - meer dan een duizendvoudige verbetering.

De bevindingen worden vandaag gerapporteerd in het tijdschrift Wetenschap door voormalig MIT-afgestudeerde student Brandon J. Hopkins '18, WM Keck Hoogleraar Energie Yang Shao-Horn, en hoogleraar werktuigbouwkunde Douglas P. Hart.

Hoewel er verschillende andere methoden zijn gebruikt om de houdbaarheid van metaal-luchtbatterijen (die andere metalen zoals natrium, lithium, magnesium, zink, of ijzer), deze methoden kunnen de prestaties opofferen, zegt Hopkins. Bij de meeste andere benaderingen wordt de elektrolyt vervangen door een andere, minder corrosieve chemische formulering, maar deze alternatieven verminderen het batterijvermogen drastisch.

Andere methoden omvatten het wegpompen van de vloeibare elektrolyt tijdens opslag en terug in voor gebruik. Deze methoden zorgen nog steeds voor aanzienlijke corrosie en kunnen sanitaire systemen in het batterijpakket verstoppen. Omdat aluminium hydrofiel (wateraantrekkend) is, zelfs nadat de elektrolyt uit de verpakking is afgevoerd, de resterende elektrolyt zal zich aan de aluminium elektrode-oppervlakken hechten. "De batterijen hebben complexe structuren, dus er zijn veel hoeken waar elektrolyt in kan blijven hangen, " wat resulteert in aanhoudende corrosie, Hopkins legt uit.

Een sleutel tot het nieuwe systeem is een dun membraan dat tussen de batterij-elektroden is geplaatst. Wanneer de batterij in gebruik is, beide zijden van het membraan zijn gevuld met een vloeibaar elektrolyt, maar wanneer de batterij op stand-by wordt gezet, olie wordt in de zijde gepompt die zich het dichtst bij de aluminium elektrode bevindt, die het aluminium oppervlak beschermt tegen de elektrolyt aan de andere kant van het membraan.

Het nieuwe batterijsysteem maakt ook gebruik van een eigenschap van aluminium genaamd "oleofobiciteit onder water", dat wil zeggen:wanneer aluminium wordt ondergedompeld in water, het stoot olie van het oppervlak af. Als resultaat, wanneer de batterij opnieuw wordt geactiveerd en elektrolyt wordt teruggepompt, de elektrolyt verdringt gemakkelijk de olie van het aluminium oppervlak, die het vermogen van de batterij herstelt. Ironisch, de MIT-methode voor corrosieonderdrukking maakt gebruik van dezelfde eigenschap van aluminium die corrosie in conventionele systemen bevordert.

Het resultaat is een aluminium-lucht-prototype met een veel langere houdbaarheid dan die van conventionele aluminium-luchtbatterijen. De onderzoekers toonden aan dat wanneer de batterij herhaaldelijk werd gebruikt en vervolgens een tot twee dagen op stand-by werd gezet, het MIT-ontwerp duurde 24 dagen, terwijl het conventionele ontwerp slechts drie duurde. Zelfs wanneer olie en een pompsysteem zijn opgenomen in opgeschaalde primaire aluminium-luchtbatterijpakketten, ze zijn nog steeds vijf keer lichter en twee keer zo compact als oplaadbare lithium-ionbatterijpakketten voor elektrische voertuigen, melden de onderzoekers.

Hart legt uit dat aluminium, behalve dat het erg goedkoop is, is een van de "opslagmaterialen met de hoogste chemische energiedichtheid die we kennen" - dat wil zeggen, het is in staat om meer energie per pond op te slaan en te leveren dan bijna wat dan ook, met alleen broom, die duur en gevaarlijk zijn, vergelijkbaar zijn. Hij zegt dat veel experts denken dat aluminium-luchtbatterijen de enige haalbare vervanging kunnen zijn voor lithium-ionbatterijen en voor benzine in auto's.

Aluminium-luchtbatterijen zijn gebruikt als bereikvergroters voor elektrische voertuigen als aanvulling op ingebouwde oplaadbare batterijen, om vele extra kilometers toe te voegen wanneer de ingebouwde batterij leeg raakt. Ze worden soms ook gebruikt als stroombron op afgelegen locaties of voor sommige onderwatervoertuigen. Maar hoewel dergelijke batterijen voor lange tijd kunnen worden bewaard zolang ze niet worden gebruikt, zodra ze voor de eerste keer worden ingeschakeld, ze beginnen snel te degraderen.

Dergelijke toepassingen kunnen veel baat hebben bij dit nieuwe systeem, Hart legt uit, want met de bestaande versies, "je kunt het niet echt afsluiten. Je kunt het doorspoelen en het proces vertragen, maar je kunt het niet echt afsluiten." als het nieuwe systeem zou worden gebruikt, bijvoorbeeld, als range extender in een auto, "je zou hem kunnen gebruiken en dan je oprit oprijden en hem een ​​maand parkeren, en kom dan terug en verwacht nog steeds dat het een bruikbare batterij heeft. ... Ik denk echt dat dit een game-changer is in termen van het gebruik van deze batterijen."

Met de langere houdbaarheid die dit nieuwe systeem zou kunnen bieden, het gebruik van aluminium-luchtbatterijen "kan verder gaan dan de huidige nichetoepassingen, ", zegt Hopkins. Het team heeft al patenten aangevraagd op het proces.