Terwijl de wereld steeds grotere installaties van wind- en zonne-energiesystemen bouwt, groeit de behoefte aan zuinige, grootschalige back-upsystemen om stroom te leveren wanneer de zon onder is en de lucht kalm is. De huidige lithium-ionbatterijen zijn nog steeds te duur voor de meeste van dergelijke toepassingen, en andere opties zoals gepompte hydro vereisen een specifieke topografie die niet altijd beschikbaar is.

Nu hebben onderzoekers van MIT en elders een nieuw soort batterij ontwikkeld, volledig gemaakt van overvloedige en goedkope materialen, die zou kunnen helpen om die leemte op te vullen.

De nieuwe batterijarchitectuur, die aluminium en zwavel als twee elektrodematerialen gebruikt, met daartussen een gesmolten zoutelektrolyt, wordt beschreven in het tijdschrift Nature , in een paper van MIT-professor Donald Sadoway, samen met 15 anderen aan het MIT en in China, Canada, Kentucky en Tennessee.

"Ik wilde iets uitvinden dat beter, veel beter was dan lithium-ionbatterijen voor kleinschalige stationaire opslag en uiteindelijk voor auto's [gebruik]", legt Sadoway uit, de John F. Elliott Professor Emeritus of Materials Chemistry.

Naast dat ze duur zijn, bevatten lithium-ionbatterijen een ontvlambare elektrolyt, waardoor ze niet ideaal zijn voor transport. Dus begon Sadoway het periodiek systeem te bestuderen, op zoek naar goedkope, aardrijke metalen die lithium zouden kunnen vervangen. Het commercieel dominante metaal, ijzer, heeft niet de juiste elektrochemische eigenschappen voor een efficiënte batterij, zegt hij. Maar het op één na meest voorkomende metaal op de markt - en eigenlijk het meest voorkomende metaal op aarde - is aluminium. "Dus, ik zei, laten we er gewoon een boekensteun van maken. Het wordt aluminium", zegt hij.

Toen kwam de beslissing waarmee het aluminium moest worden gecombineerd voor de andere elektrode, en wat voor soort elektrolyt er tussen moest worden geplaatst om ionen heen en weer te transporteren tijdens het laden en ontladen. De goedkoopste van alle niet-metalen is zwavel, dus dat werd het tweede elektrodemateriaal. Wat betreft de elektrolyt:"we zouden geen vluchtige, ontvlambare organische vloeistoffen gebruiken" die soms hebben geleid tot gevaarlijke branden in auto's en andere toepassingen van lithium-ionbatterijen, zegt Sadoway. Ze probeerden een aantal polymeren, maar kwamen uiteindelijk uit bij een verscheidenheid aan gesmolten zouten met een relatief laag smeltpunt - dicht bij het kookpunt van water, in tegenstelling tot bijna 1000 graden Fahrenheit voor veel zouten. "Zodra je lichaamstemperatuur bijna bereikt is, wordt het praktisch" om batterijen te maken die geen speciale isolatie- en anticorrosiemaatregelen vereisen, zegt hij.

De drie ingrediënten waarmee ze eindigden zijn goedkoop en gemakkelijk verkrijgbaar - aluminium, niet anders dan de folie in de supermarkt; zwavel, dat vaak een afvalproduct is van processen zoals aardolieraffinage; en algemeen verkrijgbare zouten. "De ingrediënten zijn goedkoop en het ding is veilig - het kan niet verbranden", zegt Sadoway.

In hun experimenten toonde het team aan dat de batterijcellen honderden cycli konden doorstaan ​​met uitzonderlijk hoge laadsnelheden, met een verwachte kosten per cel van ongeveer een zesde van die van vergelijkbare lithium-ioncellen. Ze toonden aan dat de oplaadsnelheid sterk afhankelijk was van de werktemperatuur, waarbij 110 graden Celsius (230 graden Fahrenheit) 25 keer hogere snelheden liet zien dan 25 C (77 F).

Verrassend genoeg bleek het gesmolten zout dat het team als elektrolyt koos vanwege het lage smeltpunt een toevallig voordeel te hebben. Een van de grootste problemen bij de betrouwbaarheid van de batterij is de vorming van dendrieten, dit zijn smalle metalen pieken die zich op één elektrode ophopen en uiteindelijk naar de andere elektrode groeien, waardoor kortsluiting ontstaat en de efficiëntie wordt belemmerd. Maar dit specifieke zout is heel goed in het voorkomen van die storing.

Het chloor-aluminaatzout dat ze kozen "verwijderde deze weggelopen dendrieten in wezen, terwijl ze ook zeer snel konden opladen", zegt Sadoway. "We hebben geëxperimenteerd met zeer hoge oplaadsnelheden, opladen in minder dan een minuut, en we zijn nooit cellen kwijtgeraakt door dendrietkortsluiting."

"Het is grappig", zegt hij, omdat de hele focus lag op het vinden van een zout met het laagste smeltpunt, maar de aaneengeschakelde chlooraluminaten waarmee ze eindigden bleken resistent tegen het kortsluitingsprobleem. "Als we waren begonnen met het voorkomen van dendritische kortsluiting, weet ik niet zeker of ik zou hebben geweten hoe ik dat moest nastreven", zegt Sadoway. "Ik denk dat het toeval voor ons was."

Bovendien heeft de batterij geen externe warmtebron nodig om op bedrijfstemperatuur te blijven. De warmte wordt van nature elektrochemisch geproduceerd door het opladen en ontladen van de batterij. "Terwijl je oplaadt, genereer je warmte, en dat zorgt ervoor dat het zout niet bevriest. En als je het ontlaadt, genereert het ook warmte", zegt Sadoway. In een typische installatie die wordt gebruikt voor het nivelleren van de belasting in een installatie voor zonne-energie, bijvoorbeeld, "zou je elektriciteit opslaan als de zon schijnt, en dan zou je elektriciteit afnemen in het donker, en je zou dit elke dag doen. En dat laden-stationair-ontladen-stationair is genoeg om genoeg warmte te genereren om het ding op temperatuur te houden."

Deze nieuwe batterijformule, zegt hij, zou ideaal zijn voor installaties van ongeveer de grootte die nodig zijn om een ​​enkel huis of een klein tot middelgroot bedrijf van stroom te voorzien, met een opslagcapaciteit van enkele tientallen kilowattuur.

Voor grotere installaties, tot een gebruiksschaal van tientallen tot honderden megawatturen, zouden andere technologieën effectiever kunnen zijn, waaronder de vloeibaar-metaalbatterijen die Sadoway en zijn studenten enkele jaren geleden ontwikkelden en die de basis vormden voor een spin-offbedrijf genaamd Ambri, dat hoopt volgend jaar zijn eerste producten te leveren. Voor die uitvinding kreeg Sadoway onlangs de European Inventor Award van dit jaar.

De kleinere schaal van de aluminium-zwavelbatterijen zou ze ook praktisch maken voor gebruik zoals oplaadstations voor elektrische voertuigen, zegt Sadoway. Hij wijst erop dat wanneer elektrische voertuigen zo gewoon worden op de weg dat meerdere auto's tegelijk willen opladen, zoals tegenwoordig gebeurt met benzinepompen, "als je dat probeert te doen met batterijen en je snel wilt opladen, de stroomsterktes slechts zo hoog dat we niet die hoeveelheid stroomsterkte hebben in de lijn die de faciliteit voedt." Als u dus een dergelijk batterijsysteem heeft om stroom op te slaan en het vervolgens snel weer vrij te geven wanneer dat nodig is, hoeft u geen dure nieuwe stroomkabels te installeren om deze opladers te bedienen.

De nieuwe technologie is al de basis voor een nieuw spin-offbedrijf genaamd Avanti, dat de patenten op het systeem in licentie heeft gegeven, mede opgericht door Sadoway en Luis Ortiz '96 ScD '00, die ook mede-oprichter was van Ambri. "De eerste taak van het bedrijf is om aan te tonen dat het op grote schaal werkt", zegt Sadoway, en het vervolgens te onderwerpen aan een reeks stresstests, waaronder het doorlopen van honderden oplaadcycli.

Zou een batterij op basis van zwavel het risico lopen de vieze geuren te produceren die bij sommige vormen van zwavel horen? Geen kans, zegt Sadoway. "De geur van rotte eieren zit in het gas, waterstofsulfide. Dit is elementaire zwavel en het zal in de cellen worden ingesloten." Als je zou proberen een lithium-ioncel in je keuken te openen, zegt hij (en probeer dit alsjeblieft niet thuis!), "Het vocht in de lucht zou reageren en je zou allerlei soorten vuil gaan produceren ook gassen. Dit zijn legitieme vragen, maar de batterij is verzegeld, het is geen open vat. Dus daar zou ik me geen zorgen over maken."

Het onderzoeksteam omvatte leden van de Peking University, Yunnan University en de Wuhan University of Technology, in China; de Universiteit van Louisville, in Kentucky; de Universiteit van Waterloo, in Canada; Oak Ridge National Laboratory, in Tennessee; en MIT. + Verder verkennen

Nieuwe chemicaliën gevonden voor vloeibare batterijen