211service.com
Waterdichte lithium-luchtbatterijen
Een bedrijf gevestigd in Berkeley, Californië, ontwikkelt lichtgewicht, energierijke batterijen die de omringende lucht als kathode kunnen gebruiken. PolyPlus werkt samen met een productiebedrijf om lithium-metaal-luchtbatterijen voor eenmalig gebruik voor de overheid te ontwikkelen en verwacht dat deze batterijen binnen enkele jaren op de markt zullen zijn. Het bedrijf heeft ook oplaadbare lithium-metaal-luchtbatterijen in de vroege stadia van ontwikkeling die uiteindelijk elektrische voertuigen kunnen aandrijven die langer mee kunnen gaan tussen oplaadbeurten.
Waterkracht : Een prototype batterij gemaakt door PolyPlus gebruikt lithiummetaal als anode en zout water als kathode om een LED van stroom te voorzien. Terwijl de batterij leeg raakt, diffunderen lithiumionen in het water, maar het apparaat is niet schadelijk voor de omringende clownvissen.
De belangstelling voor lithium-metaal-luchtbatterijen is de afgelopen jaren toegenomen, samen met de vraag naar lichtere stroombronnen voor apparaten variërend van plug-in hybride voertuigen tot laptops. In lithium-ionbatterijen zijn de elektroden gemaakt van materialen zoals grafiet, terwijl in een lithium-metaalbatterij de anode volledig uit lithiummetaal bestaat en de omringende lucht als kathode kan fungeren.
Lithium-metaalbatterijen benaderen de energiedichtheid van brandstofcellen zonder het sanitair dat nodig is voor deze apparaten; in theorie is de maximale energiedichtheid meer dan 5.000 wattuur per kilogram, of meer dan 10 keer die van de huidige lithium-ionbatterijen. Lithium-metaal-luchtbatterijen zijn ook erg licht omdat het niet nodig is om een tweede reactant mee te nemen. Lithiummetaal is het materiaal van de heilige graal, zegt Steven Visco, technisch directeur en oprichter van PolyPlus.
IBM heeft onlangs aangekondigd dat het lithium-metaal-luchtbatterijen gaat ontwikkelen voor het energienet en voor transport. Lithium-ion is de gouden standaard, maar wat het kan verslaan is lithium-metaal, zegt Paul Beach , president van batterijfabrikant Quallion uit Sylmar, CA.
Het gebruik van lithiummetaal als batterij-elektrode is echter problematisch gebleken, vooral omdat het materiaal snel en heftig reageert met water. Mensen denken al decennia aan lithium-luchtbatterijen, maar er is altijd water in de lucht, zegt Visco. Blootstelling aan zelfs sporen van water degradeert het materiaal snel.
PolyPlus heeft dit probleem opgelost door de ontwikkeling van wat het bedrijf een beschermde lithiumelektrode noemt. Het apparaat bestaat uit een plat, rechthoekig stuk lithiummetaal dat aan weerszijden is bedekt met een keramisch elektrolytmateriaal dat lisicon wordt genoemd. De vaste elektrolyt is ondoordringbaar voor water, maar laat lithiumionen door. Een andere coating beschermt de elektrolyt tegen reactie met het lithiummetaal. En tot slot zijn de randen van het apparaat verzegeld met een aluminium-polymeerlaminaat, vergelijkbaar met een zak met chips. Het laminaat zorgt voor een waterdichte afdichting en het is flexibel, dus het veroorzaakt geen spanning wanneer de elektrode tijdens gebruik krimpt.
Wanneer de lithium-metaalelektrode in water wordt geplaatst, lekken lithiumionen naar buiten en reageren met zuurstof opgelost in het water of met het water zelf. Om een lithium-metaal-luchtbatterij te maken, is het apparaat uitgerust met een gasdiffusie-elektrode die vergelijkbaar is met die van zink-metaal-lucht-hoortoestelbatterijen. Wanneer de batterij is ingeschakeld, zuigt de elektrode zuurstof door het membraan om te reageren met de lithiumionen. Maar in tegenstelling tot hoortoestelbatterijen, zullen deze apparaten na verloop van tijd niet vanzelf ontladen. Je kunt de batterij maanden op de plank laten liggen en verwachten dat hij werkt omdat het membraan hem beschermt, zegt Visco. En omdat ze gebaseerd zijn op hoogenergetisch lithiummetaal, gaan deze batterijen veel langer mee en zijn ze lichter dan zink-luchtbatterijen.
PolyPlus test momenteel lithium-metaal-zeewaterbatterijen in samenwerking met de Monterey Bay Aquarium Research Institute om te bepalen of ze bestand zijn tegen echte werkomstandigheden. Een punt van zorg is dat micro-organismen in de oceaan op het oppervlak van de batterijen zullen groeien en hun werking zullen schaden, hoewel voorlopige tests goede resultaten hebben opgeleverd.
De batterijen voor eenmalig gebruik die door het bedrijf worden gemaakt, maken gebruik van een stuk lithiummetaal van ongeveer twee vierkante centimeter en drie millimeter dik; ze hebben een opslagcapaciteit die dicht in de buurt komt van die van de lithium-ionbatterijen in de laptops van vandaag, met een vijfde van het gewicht. Het bedrijf werkt samen met batterijfabrikant Quallion om batterijen te produceren op basis van de elektrode-ontwerpen van PolyPlus en batterijen te maken in opdracht van een niet nader genoemde overheidsinstantie. Quallion zegt dat lithium-metaalelektroden kunnen worden verwerkt met behulp van een groot deel van de infrastructuur die al aanwezig is voor het maken van lithium-ionbatterijen. Er zijn bepaalde voorzorgsmaatregelen nodig om met het materiaal om te gaan, maar er zijn geen trucjes voor, zegt Beach.
Lithium-metaalbatterijen hebben het potentieel om transformerend te zijn voor onderwatertoepassingen, zegt James Bellingham , de hoofdtechnoloog van het Monterey Bay Aquarium Research Institute. Het meeste oceaanonderzoek vindt dicht bij de kust plaats omdat, zoals Bellingham zegt, er in de oceaan geen stekkers zijn voor het opladen van het met sensoren beladen autonome vaartuig dat de zeeën bewaakt. Batterijen met een hogere energiedichtheid kunnen een veel betere monitoring van de effecten van klimaatverandering op de planeet mogelijk maken, zegt Bellingham.