Onderzoekers hebben een efficiëntere, betrouwbaardere kalium-zuurstofbatterij, een stap in de richting van een mogelijke oplossing voor energieopslag op het nationale elektriciteitsnet en batterijen die langer meegaan in mobiele telefoons en laptops.

In een onderzoek dat vrijdag in het tijdschrift is gepubliceerd Batterijen en Supercaps , onderzoekers van de Ohio State University hebben hun bevindingen gedetailleerd beschreven rond de constructie van de kathode van de batterij, die de energie opslaat die wordt geproduceerd door een chemische reactie in een metaal-zuurstof- of metaal-luchtbatterij. de bevinding, zeggen de onderzoekers, zou hernieuwbare energiebronnen zoals zon en wind meer haalbare opties voor het elektriciteitsnet kunnen maken door goedkopere, efficiëntere energieopslag.

"Als je naar een volledig hernieuwbare optie voor het elektriciteitsnet wilt gaan, je hebt zuinige energieopslagapparaten nodig die overtollige stroom kunnen opslaan en die stroom weer kunnen geven als je de bron niet gereed hebt of niet werkt, " zei Vishnu-Baba Sundaresan, co-auteur van de studie en hoogleraar mechanische en ruimtevaarttechniek aan de staat Ohio. "Technologie als deze is de sleutel, omdat het goedkoop is het gebruikt geen exotische materialen, en het kan overal worden gemaakt en de lokale economie bevorderen."

Hernieuwbare energiebronnen stoten geen koolstofdioxide uit, dus ze dragen niet bij aan de opwarming van de aarde, maar ze leveren alleen energie als de zon schijnt of de wind waait. Om ervoor te zorgen dat ze betrouwbare energiebronnen zijn voor het energienetwerk van een regio, er moet een manier zijn om overtollige energie op te slaan die is verzameld uit zonneschijn en wind.

Bedrijven, wetenschappers en overheden over de hele wereld werken aan opslagoplossingen, variërend van lithium-ionbatterijen - grotere versies van die in veel elektrische voertuigen - tot gigantische batterijen ter grootte van een winkel met grote dozen gemaakt met behulp van het metaal vanadium.

Kalium-zuurstofbatterijen zijn een potentieel alternatief voor energieopslag sinds ze werden uitgevonden in 2013. Een team van onderzoekers uit de staat Ohio, onder leiding van professor scheikunde Yiying Wu, toonde aan dat de batterijen efficiënter kunnen zijn dan lithium-zuurstofbatterijen en tegelijkertijd ongeveer twee keer zoveel energie kunnen opslaan als bestaande lithium-ionbatterijen. Maar kalium-zuurstofbatterijen worden niet veel gebruikt voor energieopslag omdat, tot dusver, ze hebben niet genoeg tijd kunnen opladen om kosteneffectief te zijn.

Terwijl teams probeerden een kalium-zuurstofbatterij te maken die een levensvatbare opslagoplossing zou kunnen zijn, ze liepen steeds tegen een wegversperring aan:de batterij ging achteruit bij elke lading, gaan nooit langer mee dan vijf of tien oplaadcycli - lang niet genoeg om van de batterij een kosteneffectieve oplossing te maken voor het opslaan van stroom. Die degradatie gebeurde omdat zuurstof in de anode van de batterij kroop - de plaats waar elektronen een apparaat kunnen opladen, of het nu een mobiele telefoon of een elektriciteitsnet is. Door de zuurstof brak de anode af, waardoor de batterij zelf geen lading meer kon leveren.

Paul Gilmore, een promovendus in het laboratorium van Sundaresan, begon polymeren in de kathode op te nemen om te zien of hij de anode tegen zuurstof zou kunnen beschermen. Als hij een manier kon vinden om dat te doen, hij dacht, het zou kalium-zuurstofbatterijen een kans geven op een langere levensduur. Het bleek dat hij gelijk had:het team realiseerde zich dat zwelling in het polymeer een cruciale rol speelde in de prestaties. De sleutel, Gilmore zei, was een manier aan het vinden om zuurstof in de batterij te brengen - die nodig was om te werken - zonder zuurstof in de anode te laten sijpelen.

Dit ontwerp werkt een beetje als menselijke longen:lucht komt de batterij binnen via een vezelige koolstoflaag, ontmoet dan een tweede laag die iets minder poreus is en eindigt uiteindelijk bij een derde laag, die nauwelijks poreus is. Die derde laag, gemaakt van het geleidende polymeer, laat kaliumionen door de kathode reizen, maar verhindert dat moleculaire zuurstof bij de anode komt. Het ontwerp betekent dat de batterij minstens 125 keer kan worden opgeladen, waardoor kalium-zuurstofbatterijen meer dan 12 keer langer meegaan dan voorheen met goedkope elektrolyten.

De bevinding laat zien dat dit mogelijk is, maar de tests van het team hebben niet bewezen dat de batterijen kunnen worden gemaakt op de schaal die nodig is voor opslag in het elektriciteitsnet, zei Sundaresan. Echter, het toont wel potentie.

Gilmore zei dat er mogelijk ook potentieel is voor kalium-zuurstofbatterijen om bruikbaar te zijn in andere toepassingen.

"Zuurstofbatterijen hebben een hogere energiedichtheid, wat betekent dat ze het bereik van elektrische voertuigen en de levensduur van de batterij van draagbare elektronica kunnen verbeteren, bijvoorbeeld, hoewel andere uitdagingen moeten worden overwonnen voordat kalium-zuurstofbatterijen levensvatbaar zijn voor deze toepassingen, " hij zei.

En de bevinding biedt een alternatief voor lithium-ionbatterijen en andere die afhankelijk zijn van kobalt, een materiaal dat 'de bloeddiamant van batterijen' wordt genoemd. De winning van het materiaal is zo verontrustend dat grote bedrijven, inclusief Tesla, hebben hun plannen aangekondigd om het volledig uit batterijen te verwijderen.

"Het is erg belangrijk dat batterijen die bedoeld zijn voor grootschalige toepassingen geen kobalt, ' zei Sundaresan.

En het is ook belangrijk dat de batterij goedkoop gemaakt kan worden. Lithium-zuurstofbatterijen - een mogelijke oplossing voor energieopslag die algemeen wordt beschouwd als een van de meest haalbare opties - kunnen duur zijn, en velen vertrouwen op schaarse middelen, inclusief kobalt. De lithium-ionbatterijen die veel elektrische auto's aandrijven kosten ongeveer $ 100 per kilowattuur op materiaalniveau.

De onderzoekers schatten dat deze kalium-zuurstofbatterij ongeveer $ 44 per kilowattuur zal kosten.

"Als het om batterijen gaat, één maat past niet allemaal, " zei Sundaresan. "Voor kalium-zuurstof- en lithium-zuurstofbatterijen, de kosten waren onbetaalbaar om ze te gebruiken als back-up van het elektriciteitsnet. Maar nu we hebben aangetoond dat we een batterij zo goedkoop en stabiel kunnen maken, dan zorgt het ervoor dat het concurreert met andere technologieën voor back-up van netstroom.

"Als je een kleine batterij hebt die goedkoop is, dan kun je praten over opschalen. Als je een kleine batterij hebt die $ 1 kost, 000 een pop, dan is opschalen gewoon niet mogelijk. Dit opent de deur voor opschaling."