Een batterijprototype is ontworpen met zout water en materialen die niet giftig zijn en snel opladen, de weg vrijmaakt voor nieuwe soorten batterijen.

De ontwerpprincipes achter het nieuwe prototype, die van kleur verandert tijdens het opladen, kan ook worden toegepast op bestaande batterijtechnologieën om nieuwe apparaten voor energieopslag te creëren, biologische waarneming, en slimme kleurveranderende materialen.

De meest gebruikte batterijen zijn momenteel lithium-ionbatterijen, die een relatief hoge capaciteit hebben (ze houden een grote hoeveelheid lading vast) maar hun energie niet snel ontladen of opladen. Ze bevatten ook organische elektrolyten en andere materialen die gevaarlijk en ontvlambaar kunnen zijn, wat betekent dat ze zorgvuldig moeten worden behandeld en verwijderd.

Het nieuwe batterijprototype, ontwikkeld door een team van onderzoekers van de afdelingen Natuurkunde en Scheikunde aan het Imperial College London, gebruikt in plaats daarvan dunne films van speciaal ontworpen kunststoffen en eenvoudig zout water.

Hoewel het minder kan worden opgeladen dan conventionele lithium-ionbatterijen, het prototype, dat is gemaakt van polymeren - lange ketens van moleculen waaruit kunststoffen bestaan ​​- kunnen in enkele seconden worden opgeladen en ontladen. Als een bijkomend voordeel van de materialen die het gebruikt, het verandert ook van kleur tijdens het opladen, zodat gebruikers gemakkelijk de laadstatus van de batterij kunnen aflezen.

Het prototype, waarvan de details zijn gepubliceerd in Energie en milieuwetenschappen , zou de weg kunnen effenen voor het verbeteren van de oplaadsnelheid en toxiciteit van bestaande batterijen, of een route bieden voor het maken van geheel nieuwe soorten batterijen.

Recyclebare batterijen ontwikkelen

Co-hoofdauteur Dr. Alexander Giovannitti, die aan het project werkte tijdens de faculteiten natuurkunde en scheikunde van Imperial, zei:"De materialen die we hebben gebruikt om het batterijprototype te maken, kunnen mogelijk tegen lage kosten worden gemaakt en gecombineerd met het gebruik van niet-giftige en niet-ontvlambare elektrolyten op waterbasis. Deze aanpak zou een haalbare route kunnen zijn om recyclebare batterijen te ontwikkelen."

Batterijen met een snellere oplaadtijd maar een lagere capaciteit kunnen een reeks toepassingen hebben waarbij energie snel moet worden uitgewisseld, maar de batterijen hoeven niet klein te zijn, zoals wanneer energie van het remmen van de auto even later wordt gebruikt om het voertuig te versnellen.

Op grotere schaal, wanneer hernieuwbare technologieën zoals zon of wind worden gebruikt als onderdeel van een nationaal of lokaal netwerk, ze kunnen slechts af en toe energie leveren. Een batterijsysteem dat deze energie snel kon opslaan, maar geef het ook terug aan het net als dat nodig is, zou waardevol zijn om het aanbod stabiel te houden.

Het team zegt dat hun prototype meer werk nodig heeft om geschikt te zijn voor deze gebieden, maar dat de principes achter het ontwerp van toepassing kunnen zijn op een breed scala aan energieopslagapparaten in ontwikkeling.

Nieuwe materialen ontwerpen

Polymeermaterialen zijn eerder met succes in batterijen gebruikt, als additieven om flexibiliteit te bieden of als elektrolyten die positieve en negatieve elektroden scheiden, maar het gebruik ervan als actieve materialen in batterij-elektroden die in water werken, is een uitdaging gebleken.

De doorbraak komt van het ontwerp van polymeermaterialen die positieve of negatieve ionen uit zout water kunnen opnemen en afgeven, snel en omkeerbaar zonder degradatie. Deze ionen worden aangetrokken door elektroden met tegengestelde lading wanneer het apparaat wordt opgeladen.

Batterijen op waterbasis zijn wenselijk vanwege hun niet-toxiciteit, maar het was moeilijk om de ionen in water omkeerbaar te laten uitwisselen met de elektroden.

Het team heeft dit omzeild door zijketens te ontwerpen die aan de geleidende polymeer 'backbones' worden bevestigd. Door polaire materialen te gebruiken voor de zijketens, ze konden elektroden maken met een hoge affiniteit voor water.

Met dit principe konden ze positieve en negatieve elektroden maken die hun tegengestelde ionen uit het water kunnen herbergen - en ze hadden de ingrediënten voor een batterij. Omdat de polymeerruggengraat al flexibel was - uitzetten en krimpen terwijl de batterij werd opgeladen en ontladen - waren er geen additieven nodig.

Co-hoofdauteur Dr. Davide Moia, die het werk voltooide toen hij op de afdeling Natuurkunde van Imperial was, zei:"Het gebruik van zout water lost de problemen op het gebied van toxiciteit en ontvlambaarheid op, maar het was niet gemakkelijk te gebruiken, omdat het de hoeveelheid energie die je in en uit een apparaat kunt krijgen, kan beperken in vergelijking met andere organische elektrolyten.

"We willen nu testen hoe ver deze limiet kan worden geschoven. We hebben lagere prestaties gecompenseerd met een veiligere combinatie van materialen, maar het verbeteren van de prestaties zou de weg kunnen openen naar geheel nieuwe soorten levensvatbare apparaten voor energieopslag die ook veilig en duurzaam zijn."