Van mobiele telefoons, naar zonne-energie, tot elektrische auto's, de mensheid is in toenemende mate afhankelijk van batterijen. Als vraag naar veilige, efficiënt, en krachtige energieopslag blijft toenemen, dat geldt ook voor de roep om veelbelovende alternatieven voor oplaadbare lithium-ionbatterijen, die de dominante technologie in deze ruimte zijn geweest.

In onderzoek gepubliceerd in Proceedings van de National Academy of Sciences , onderzoekers van het Rensselaer Polytechnic Institute laten zien hoe ze een hardnekkige uitdaging, dendrieten genaamd, kunnen overwinnen om een ​​metalen batterij te maken die bijna net zo goed presteert als een lithium-ionbatterij, maar vertrouwt op kalium - een veel overvloediger en goedkoper element.

Batterijen bevatten twee elektroden:een kathode aan het ene uiteinde en een anode aan het andere. Als je in een lithium-ionbatterij zou kijken, zou je meestal een kathode van lithiumkobaltoxide en een anode van grafiet vinden. Tijdens het laden en ontladen, lithiumionen stromen heen en weer tussen deze twee elektroden.

In deze opstelling, als onderzoekers lithiumkobaltoxide gewoon zouden vervangen door kaliumkobaltoxide, prestatie zou dalen. Kalium is een groter en zwaarder element en, daarom, minder energiedicht. In plaats daarvan, het Rensselaer-team probeerde de prestaties van kalium te verbeteren door ook de grafietanode te vervangen door kaliummetaal.

"Qua prestaties dit kan wedijveren met een traditionele lithium-ionbatterij, " zei Nikhil Koratkar, een bijzonder hoogleraar mechanische, ruimtevaart, en nucleaire techniek bij Rensselaer en de hoofdauteur van dit artikel.

Hoewel metaalbatterijen veelbelovend zijn gebleken, ze worden traditioneel ook geplaagd door ophoping van metaalafzettingen, dendrieten genoemd, op de anode. Dendrieten worden gevormd als gevolg van niet-uniforme afzetting van kaliummetaal terwijl de batterij herhaalde cycli van opladen en ontladen ondergaat. Overuren, Koratkar legde uit, de conglomeraten van kaliummetaal worden lang en bijna vertakt.

Als ze te lang worden, ze zullen uiteindelijk de isolerende membraanscheider doorboren die bedoeld is om te voorkomen dat de elektroden elkaar raken en de batterij kortsluiten. Warmte wordt gecreëerd wanneer een batterij kortsluiting heeft en het potentieel heeft om de organische elektrolyt in het apparaat in brand te steken.

In deze krant, Koratkar en zijn team, waaronder Prateek Hundekar, een doctoraatsstudent aan Rensselaer, en onderzoekers van de Universiteit van Maryland, waaronder Chunsheng Wang, een professor in chemische en biomoleculaire engineering - leg uit hoe hun oplossing voor dat probleem de weg vrijmaakt voor praktisch consumentengebruik. Door de batterij met een relatief hoge laad- en ontlaadsnelheid te gebruiken, ze kunnen de temperatuur in de batterij op een goed gecontroleerde manier verhogen en de dendrieten aanmoedigen om zichzelf van de anode te genezen.

Koratkar vergelijkt het zelfgenezingsproces met wat er gebeurt met een stapel sneeuw nadat een storm is geëindigd. De wind en de zon helpen de vlokken van de berg sneeuw te verwijderen, kleiner worden en uiteindelijk plat maken.

Op een soortgelijke manier, terwijl de temperatuurstijging in de batterij het kaliummetaal niet doet smelten, het helpt om oppervlaktediffusie te activeren, zodat de kaliumatomen zijdelings van de "stapel" die ze hebben gemaakt, bewegen, het effectief gladstrijken van de dendriet.

“Met deze aanpak het idee is dat 's nachts of wanneer u de batterij niet gebruikt, je zou een batterijbeheersysteem hebben dat deze lokale warmte zou toepassen waardoor de dendrieten zichzelf zouden genezen, ' zei Koratkar.

Koratkar en zijn team hebben eerder een vergelijkbare methode van zelfgenezing aangetoond met lithium-metaalbatterijen, maar ze ontdekten dat de kaliummetaalbatterij veel minder warmte nodig had om het zelfherstellende proces te voltooien. Die veelbelovende bevinding, Koratkar zei, betekent dat een kaliummetaalbatterij efficiënter kan zijn, veilig, en praktisch.

"Ik wil een paradigmaverschuiving zien naar metalen batterijen, "Zei Koratkar. "Metalen batterijen zijn de meest efficiënte manier om een ​​batterij te bouwen; echter, vanwege dit dendrietprobleem waren ze niet haalbaar. Met kalium, Ik heb meer hoop."