Onderzoekers van het Oregon State University College of Engineering hebben een batterijanode ontwikkeld op basis van een nieuwe nanogestructureerde legering die een revolutie teweeg kan brengen in de manier waarop energieopslagapparaten worden ontworpen en vervaardigd.

De op zink en mangaan gebaseerde legering opent verder de deur naar het vervangen van oplosmiddelen die vaak worden gebruikt in batterijelektrolyten door iets dat veel veiliger en goedkoper is, maar ook overvloedig:zeewater.

Bevindingen werden gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

"De energiebehoefte van de wereld neemt toe, maar de ontwikkeling van elektrochemische energieopslagsystemen van de volgende generatie met een hoge energiedichtheid en een lange levensduur blijft technisch uitdagend, " zei Zhenxing Feng, een onderzoeker chemische technologie bij OSU. "Waterige batterijen, die geleidende oplossingen op waterbasis gebruiken als elektrolyten, zijn een opkomend en veel veiliger alternatief voor lithium-ionbatterijen. Maar de energiedichtheid van waterige systemen was relatief laag, en ook het water zal reageren met het lithium, die het wijdverbreide gebruik van waterige batterijen verder heeft belemmerd."

Een batterij slaat energie op in de vorm van chemische energie en zet deze via reacties om in de elektrische energie die nodig is om voertuigen aan te drijven, telefoons, laptops en vele andere apparaten en machines. Een batterij bestaat uit twee aansluitingen:de anode en de kathode, meestal gemaakt van verschillende materialen, evenals een separator en elektrolyt, een chemisch medium dat de stroom van elektrische lading mogelijk maakt.

In een lithium-ionbatterij, zoals de naam doet vermoeden, een lading wordt gedragen via lithiumionen terwijl ze tijdens de ontlading door de elektrolyt van de anode naar de kathode bewegen, en weer terug tijdens het opladen.

"Elektrolyten in lithium-ionbatterijen worden gewoonlijk opgelost in organische oplosmiddelen, die ontvlambaar zijn en vaak ontleden bij hoge bedrijfsspanningen, zei Feng. "Er zijn dus duidelijk veiligheidsproblemen, inclusief met lithiumdendrietgroei op het elektrode-elektrolyt-interface; dat kan kortsluiting tussen de elektroden veroorzaken."

Dendrieten lijken op kleine bomen die in een lithium-ionbatterij groeien en kunnen de afscheider doorboren zoals distels die door scheuren op een oprit groeien; het resultaat zijn ongewenste en soms onveilige chemische reacties.

Verbrandingsincidenten met lithium-ionbatterijen in de afgelopen jaren omvatten een brand op een geparkeerd Boeing 787-jet in 2013, explosies in Galaxy Note 7-smartphones in 2016 en Tesla Model S-branden in 2019.

Waterige batterijen zijn een veelbelovend alternatief voor veilige en schaalbare energieopslag, zei Feng. Waterige elektrolyten zijn kostenconcurrerend, milieuvriendelijk, geschikt voor snel opladen en hoge vermogensdichtheden en zeer tolerant voor verkeerd gebruik.

Hun grootschalige gebruik, echter, wordt gehinderd door een beperkte uitgangsspanning en een lage energiedichtheid (batterijen met een hogere energiedichtheid kunnen grotere hoeveelheden energie opslaan, terwijl batterijen met een hogere vermogensdichtheid sneller grote hoeveelheden energie kunnen vrijgeven).

Maar onderzoekers van de staat Oregon, de University of Central Florida en de University of Houston hebben een anode ontworpen die bestaat uit een driedimensionale "zink-M-legering" als batterijanode, waarbij M verwijst naar mangaan en andere metalen.

"Het gebruik van de legering met zijn speciale nanostructuur onderdrukt niet alleen dendrietvorming door de thermodynamica van de oppervlaktereactie en de reactiekinetiek te regelen, het toont ook een superhoge stabiliteit gedurende duizenden cycli onder zware elektrochemische omstandigheden, Feng zei. "Het gebruik van zink kan twee keer zoveel ladingen overbrengen als lithium, waardoor de energiedichtheid van de batterij wordt verbeterd.

"We hebben onze waterige batterij ook getest met zeewater, in plaats van gedeïoniseerd water van hoge zuiverheid, als de elektrolyt, " voegde hij eraan toe. "Ons werk toont het commerciële potentieel voor grootschalige productie van deze batterijen."

Feng en Ph.D. student Maoyu Wang gebruikte röntgenabsorptiespectroscopie en beeldvorming om de atomaire en chemische veranderingen van de anode in verschillende bedrijfsfasen te volgen, wat bevestigde hoe de 3D-legering in de batterij functioneerde.

"Onze theoretische en experimentele studies hebben aangetoond dat de anode van een 3D-legering een ongekende grensvlakstabiliteit heeft, bereikt door een gunstig diffusiekanaal van zink op het legeringsoppervlak, " zei Feng. "Het concept dat in dit samenwerkingswerk wordt gedemonstreerd, zal waarschijnlijk een paradigmaverschuiving teweegbrengen in het ontwerp van hoogwaardige legeringsanoden voor waterige en niet-waterige batterijen, een revolutie teweegbrengen in de batterij-industrie."