Een toevallige ontdekking tijdens onderzoek naar batterijen aan de Oregon State University heeft grote implicaties voor het uitvinden van nieuwe materialen met een breed scala aan wetenschappelijke en commerciële toepassingen, de corresponderende auteur van de studie zegt.

Veel van de belangrijkste uitdagingen van de wetenschap zijn terug te voeren op de grenzen van bekende beschikbare materialen, maar een fenomeen genaamd "counter-ion insertion" door OSU College of Science-onderzoekers opent de deur naar "een groot aantal nieuwe vaste stoffen met waarden die verschillende disciplines overstijgen die veel verder gaan dan batterijchemie, " zei Xiulei (David) Ji, universitair hoofddocent scheikunde. "Dit is het beginpunt van een heel nieuw veld."

Bijvoorbeeld, batterijen die met deze constructie zijn ontworpen, vertonen een opmerkelijk potentieel voor goedkope energieopslag, zei Ji. In vergelijking met de lithium-ionbatterijen die worden gebruikt om mobiele telefoons van stroom te voorzien, laptops, medische uitrusting, elektrisch gereedschap, voertuigen en meer, ze zijn veiliger en milieuvriendelijker en kunnen kosteneffectiever zijn.

De bevindingen zijn zojuist gepubliceerd in Koolstof energie .

Onderzoek naar ionenopslagchemie in vaste stoffen, in het bijzonder kijken naar anionen in plaats van kationen om energie op te slaan - Ji en Ph.D. student Heng Jiang testte het mangaanoxide Mn3O4 als elektrode in een zinkionbatterij.

De test van het hosten van zinkionen was niet succesvol, maar leverde in plaats daarvan een ongekende chloridebatterij-elektrode op, waaruit blijkt dat anion-hostingbatterijen beter werken nadat kationen in de elektroden zijn opgesloten.

"We verwachten dat dit de inauguratie markeert van het inbrengen van tegenionen als een generieke elektrosynthesemethodologie voor materiaalontwerp, Ji zei. "Batterij-ontladings- of laadprocessen kunnen krachtige synthesetools zijn, en het proces waarbij een elektrode niet de gewenste eigenschappen in één type batterij levert, kan de exacte elektrosynthese zijn die nodig is om een ​​uitstekende elektrode voor een ander type batterij te creëren."

Er zijn veel verschillende soorten batterijen, maar ze werken allemaal op dezelfde manier en bevatten dezelfde basiscomponenten:twee elektroden:de anode, van waaruit elektronen naar een extern circuit stromen, en de kathode, die elektronen verwerft van het externe circuit - en de elektrolyt, het chemische medium dat de elektroden scheidt en de ionenstroom ertussen mogelijk maakt.

De meeste batterijen, Ji legt uit, elektriciteit opslaan via kationen. Een kation is een element of een molecuul dat een of meer elektronen mist en positief geladen is. een anion, die ook kan worden gebruikt om elektriciteit op te slaan, is een element of molecuul dat een of meer extra elektronen heeft en negatief geladen is.

"Er zijn minder bekende materialen die anionen omkeerbaar kunnen opslaan dan voor het opslaan van kationen, " zei Ji. "Als voorbeeld voor kationenopslag, het omkeerbaar inbrengen van lithiumionen leidde tot de technologie van lithium-ionbatterijen."

Omkeerbaar betekent dat de batterij kan worden opgeladen, zoals die in een mobiele telefoon.

Lithium-ionbatterijen werken goed omdat het kation dat wordt opgeslagen klein en licht is. Voor anionopslag, de gewenste anionen zijn halogeniden - een enkel halogeenatoom met een extra elektron. Jodium, broom, chloor, en fluor zijn de halogenen, en hun anionen staan ​​bekend als jodide, bromide, chloride en fluoride.

"Chloride is relatief licht en klein in vergelijking met andere soorten anionen die zijn geprobeerd, omvangrijke polyatomaire ionen zoals nitraat, sulfaat en hexafluorfosfaat, die de neiging hebben om de elektrodestructuren geleidelijk te vervormen, "zei Ji.

In dit onderzoek, de Mn3O4-kathode bewaarde chloride reversibel met grote effectiviteit nadat zinkkationen (Zn2+) waren opgesloten in de chemische structuur van de kathode.

"De gevangen kationen transformeren Mn3O4 zodanig dat de omkeerbare opslag van het chloride veel levensvatbaarder wordt, " zei Ji. "Het zink en chloride zijn tegenionen voor elkaar, die gunstige interacties veroorzaakt die leiden tot ongekende eigenschappen in capaciteit, werkingspotentieel en levensduur. De anion-hosting kathode werkt met een zinkmetaalanode in een full-cell dual-ion batterij met een waterige elektrolyt."

Dual-ion-batterijen hebben zowel kationen als anionen die betrokken zijn bij de elektrochemische reductie-oxidatie van de batterij, of redox, reactie.

Batterijen van de dual-ion-variant die waterige elektrolyten gebruiken - elektrolyten die water bevatten - hebben "opmerkelijk potentieel voor goedkope energieopslag, " zei Ji. Vergeleken met lithium-ionbatterijen, ze zijn veiliger, milieuvriendelijker en kosteneffectiever.

"We hebben deze batterijchemie, waarvoor patent is aangevraagd, gedemonstreerd in prototype pouch-cellen, die dicht bij commercialisering staat, "zei hij. "Nog belangrijker, invoeging van tegenionen lijkt een methodologie met belangrijke implicaties voor de elektrosynthese over het hele spectrum van materiaalwetenschap. De kennis over het inbrengen van tegen-ionen zal de komende drie tot vijf jaar mogelijk exponentieel groeien en er zullen veel nieuwe materialen worden uitgevonden."