Stel je voor dat je je telefoon of laptop wekenlang niet hoeft op te laden. Dat is de droom van onderzoekers die alternatieve batterijen onderzoeken die verder gaan dan de huidige lithium-ionversies die tegenwoordig populair zijn. Nutsvoorzieningen, in een nieuwe studie die in het tijdschrift verschijnt Wetenschap , chemici bij verschillende instellingen, waaronder Caltech en het Jet Propulsion Laboratory, die wordt beheerd door Caltech voor NASA, evenals het Honda Research Institute en het Lawrence Berkeley National Laboratory, een nieuwe manier hebben gevonden om oplaadbare batterijen te maken op basis van fluoride, de negatief geladen vorm, of anion, van het element fluor.

"Fluoridebatterijen kunnen een hogere energiedichtheid hebben, wat betekent dat ze langer mee kunnen gaan - tot acht keer langer dan batterijen die tegenwoordig worden gebruikt, " zegt co-auteur Robert Grubbs, Victor en Elizabeth Atkins van Caltech, hoogleraar scheikunde en winnaar van de Nobelprijs voor scheikunde in 2005. "Maar fluoride kan een uitdaging zijn om mee te werken, vooral omdat het zo bijtend en reactief is."

In de jaren zeventig, onderzoekers probeerden oplaadbare fluoridebatterijen te maken met behulp van vaste componenten, maar solid-state batterijen werken alleen bij hoge temperaturen, waardoor ze onpraktisch zijn voor dagelijks gebruik. In de nieuwe studie de auteurs rapporteren eindelijk hoe ze de fluoridebatterijen kunnen laten werken met vloeibare componenten - en vloeibare batterijen werken gemakkelijk bij kamertemperatuur.

"We bevinden ons nog in de beginfase van ontwikkeling, maar dit is de eerste oplaadbare fluoridebatterij die werkt bij kamertemperatuur, " zegt Simon Jones, een chemicus bij JPL en corresponderende auteur van de nieuwe studie.

Batterijen drijven elektrische stromen aan door geladen atomen - of ionen - tussen een positieve en negatieve elektrode te pendelen. Dit pendelproces verloopt gemakkelijker bij kamertemperatuur als er vloeistoffen in het spel zijn. In het geval van lithium-ionbatterijen, lithium wordt tussen de elektroden gependeld met behulp van een vloeibare oplossing, of elektrolyt.

"Het opladen van een batterij is alsof je een bal een heuvel op duwt en hem dan weer terug laat rollen. opnieuw en opnieuw, " zegt co-auteur Thomas Miller, hoogleraar scheikunde aan Caltech. "Je gaat heen en weer tussen het opslaan van de energie en het gebruiken ervan."

Hoewel lithiumionen positief zijn (kationen genoemd), de fluoride-ionen die in de nieuwe studie worden gebruikt, hebben een negatieve lading (en worden anionen genoemd). Er zijn zowel uitdagingen als voordelen aan het werken met anionen in batterijen.

"Voor een batterij die langer meegaat, u moet een groter aantal ladingen verplaatsen. Het verplaatsen van meervoudig geladen metaalkationen is moeilijk, maar een soortgelijk resultaat kan worden bereikt door verschillende enkelvoudig geladen anionen te verplaatsen, die relatief gemakkelijk reizen, " zegt Jones, die bij JPL onderzoek doet naar stroombronnen die nodig zijn voor ruimtevaartuigen. "De uitdagingen met dit schema zijn om het systeem te laten werken op bruikbare spanningen. In deze nieuwe studie, we laten zien dat anionen inderdaad de aandacht verdienen in de batterijwetenschap, omdat we laten zien dat fluoride kan werken bij voldoende hoge spanningen."

De sleutel om de fluoridebatterijen in een vloeistof te laten werken in plaats van in een vaste toestand, bleek een elektrolytvloeistof te zijn, bis(2, 2, 2-trifluorethyl)ether, of BTFE. Dit oplosmiddel helpt het fluoride-ion stabiel te houden, zodat het elektronen heen en weer kan pendelen in de batterij. Jones zegt dat zijn stagiair destijds, Victoria Davis, die nu studeert aan de Universiteit van North Carolina, kapel heuvel, was de eerste die eraan dacht BTFE te proberen. Hoewel Jones niet veel hoop had dat het zou lukken, het team besloot het toch te proberen en was verrast dat het zo goed werkte.

Op dat punt, Jones wendde zich tot Miller om te begrijpen waarom de oplossing werkte. Miller en zijn groep voerden computersimulaties van de reactie uit en kwamen erachter welke aspecten van BTFE het fluoride stabiliseerden. Vanaf daar, het team was in staat om de BTFE-oplossing aan te passen, modificeren met additieven om de prestaties en stabiliteit te verbeteren.

"We ontsluiten een nieuwe manier om batterijen met een langere levensduur te maken, ", zegt Jones. "Fluoride maakt een comeback in batterijen."