Zoals de lithium-ionbatterijen die de meeste telefoons van stroom voorzien, laptops, en elektrische voertuigen worden steeds sneller opgeladen en presteren beter, ze worden ook steeds duurder en brandbaarder.

In onderzoek dat onlangs is gepubliceerd in Energy Storage Materials, een team van ingenieurs van het Rensselaer Polytechnic Institute demonstreerde hoe ze - door waterige elektrolyten te gebruiken in plaats van de typische organische elektrolyten - een aanzienlijk veiliger, kostenefficiënte batterij die nog steeds goed presteert.

Als je in een batterij zou kijken, je zou twee elektroden vinden:een anode en een kathode. Deze elektroden zijn ondergedompeld in een vloeibare elektrolyt die ionen geleidt terwijl de batterij wordt opgeladen en ontladen.

Waterige elektrolyten zijn op zoek naar die rol vanwege hun niet-ontvlambare aard en omdat, in tegenstelling tot niet-waterige elektrolyten, ze zijn niet gevoelig voor vocht in het productieproces, waardoor ze gemakkelijker om mee te werken en minder duur. De grootste uitdaging met dit materiaal is het handhaven van de prestaties.

"Als je te veel spanning op water zet, elektrolyseert het, wat betekent dat het water uiteenvalt in waterstof en zuurstof, " zei Nikhil Koratkar, bijzonder hoogleraar werktuigbouwkunde, ruimtevaart, en nucleaire techniek bij Rensselaer. "Dit is een probleem, want dan krijg je uitgassing, en de elektrolyt wordt verbruikt. Dus meestal, dit materiaal heeft een zeer beperkt spanningsvenster."

In dit onderzoek, Koratkar en zijn team, waaronder Fudong Han, een bijzonder leerstoel assistent-professor mechanische, ruimtevaart, en nucleaire techniek - gebruikte een speciaal type waterig elektrolyt dat bekend staat als een water-in-zout elektrolyt, die minder snel elektrolyseert.

Voor de kathode de onderzoekers gebruikten lithium-mangaanoxide, en voor de anode, ze gebruikten niobiumwolfraamoxide - een complex oxide waarvan Koratkar zei dat het nog niet eerder in een waterige batterij was onderzocht.

"Het blijkt dat niobiumwolfraamoxide uitstekend is in termen van opgeslagen energie per volume-eenheid, "Zei Koratkar. "Volumetrisch, dit was verreweg het beste resultaat dat we hebben gezien in een waterige lithium-ionbatterij."

Het niobiumwolfraamoxide, hij legde uit, is relatief zwaar en compact. Dat gewicht maakt zijn energieopslag gebaseerd op massa ongeveer gemiddeld, maar de dichte pakking van niobiumwolfraamoxidedeeltjes in de elektrode maakt de energieopslag op basis van volume behoorlijk goed. De kristalstructuur van dit materiaal heeft ook goed gedefinieerde kanalen - of tunnels - waardoor lithiumionen snel kunnen diffunderen, wat betekent dat het snel kan opladen.

De combinatie van snelladen en de mogelijkheid om een ​​grote hoeveelheid lading per volume-eenheid op te slaan, Koratkar zei, is zeldzaam in waterige batterijen.

Het bereiken van dat soort prestaties, met lage kosten en verbeterde veiligheid, praktische gevolgen heeft. Voor opkomende toepassingen zoals draagbare elektronica, elektrische voertuigen, en rasteropslag, het vermogen om de maximale hoeveelheid energie in een beperkt volume te verpakken wordt van cruciaal belang.