211service.com
Wedden op een doorbraak in metaal-luchtbatterijen
Een spin-off van de Arizona State University zegt dat het een metaal-luchtbatterij kan ontwikkelen die dramatisch beter presteert dan de beste lithium-ionbatterijen op de markt, en nu heeft het de financiering die het nodig heeft om het te bewijzen.
Vloeibaar zout: Deze afbeelding toont ionische vloeistoffen (de blauwe bolletjes) in een beker met minerale olie.
Het Amerikaanse ministerie van Energie heeft vorige week een onderzoeksbeurs van $ 5,13 miljoen toegekend aan het in Scottsdale, AZ gevestigde Fluïdische energie in de richting van de ontwikkeling van een metaal-luchtbatterij die als elektrolyt afhankelijk is van ionische vloeistoffen in plaats van een waterige oplossing.
Het bedrijf wil een Metal-Air Ionic Liquid-batterij bouwen die tot 11 keer de energiedichtheid heeft van de beste lithium-iontechnologieën voor minder dan een derde van de kosten. Cody Friesen , een professor in materiaalkunde aan de staat Arizona en oprichter van Fluidic Energy, zegt dat het gebruik van ionische vloeistoffen veel van de problemen oplost die in het verleden metaal-luchtbatterijen tegenhielden. Ik beweer niet dat we het al hebben, maar als het ons lukt, verandert het echt de manier waarop we over opslag denken, zegt Friesen, die werd uitgeroepen tot een van Technologie beoordeling 's top vernieuwers onder de 35 jaar in 2009.
Metaal-luchtbatterijen, zoals batterijen die een zinkanode gebruiken, zijn meestal afhankelijk van elektrolyten op waterbasis. Zuurstof uit de omgevingslucht wordt aangezogen door een poreuze luchtelektrode (-kathode) en produceert hydroxylionen bij contact met de elektrolyt. Deze ionen bereiken de anode en beginnen het zink te oxideren - een reactie die stroom produceert door het vrijkomen van elektronen.
Maar zoals bij elke waterige oplossing kan het water in de elektrolyt verdampen, waardoor de batterijen voortijdig defect raken. Water heeft ook een relatief laag elektrochemisch venster, wat betekent dat het begint te ontbinden wanneer de cel 1,23 volt overschrijdt. Dit waren twee problemen die onderzoekers van de U.S. Air Force Academy ongeveer 25 jaar geleden begonnen aan te pakken. In het begin van de jaren tachtig experimenteerden ze met ionische vloeistoffen: zouten die vloeibaar zijn bij kamertemperatuur en die vaak vloeibaar kunnen blijven bij temperaturen onder het vriespunt of boven het kookpunt van water.
Het zijn wondervloeistoffen. Ze zijn opmerkelijk, zegt John Wilkes , een expert op het gebied van ionische vloeistoffen die aan het hoofd staat van de scheikundeafdeling van de academie. Als je naar deze vloeistoffen in een fles kijkt, zien ze eruit als water, behalve dat ze stroperig zijn. Ze zijn niet vluchtig, ze verdampen niet, ze zijn fysiek stabiel en ze geleiden elektriciteit redelijk goed.
Friesen, wiens onderzoeksteam in de staat Arizona de afgelopen jaren heeft geëxperimenteerd met verschillende ionische vloeistoffen, zegt dat een metaal-luchtbatterij die een ionische vloeistof gebruikt als elektrolyt niet alleen aanzienlijk langer functioneert - omdat uitdroging niet langer een probleem is - maar het ook krijgt een grote boost in energiedichtheid. Deze vloeistoffen hebben elektrochemische stabiliteitsvensters tot vijf volt, dus je kunt veel meer energierijke metalen gebruiken dan zink. Hij zegt dat zijn onderzoeksteam zich zal richten op energiedichtheden van ten minste 900 wattuur per kilogram en tot 1600 wattuur per kilogram in het door DOE gefinancierde project.
Het probleem met ionische vloeistoffen is dat ze nog steeds in kleine hoeveelheden worden gemaakt, waardoor ze duur zijn in vergelijking met veel andere oplosmiddelen die worden gebruikt om zouten op te lossen. Maar sommige mensen maken nu ionische vloeistoffen van dingen die al bekend zijn en in grote hoeveelheden worden geproduceerd, zoals wasmiddelen, zegt Wilkes.
Robin Rogers , een professor in de chemie aan de Universiteit van Alabama, zegt dat de uitdaging is om ionische vloeistoffen te vinden met de juiste eigenschappen die de economische vergelijking voor metaal-luchtbatterijen volledig kunnen veranderen. Het is niet onmogelijk, zegt hij. Ik kijk naar ionische vloeistoffen en zeg, doe een stap terug, want je moet het op een heel andere manier doen.
Friesen bagatelliseert de kostenoverwegingen en wijst erop dat de vloeistoffen vrij zuinig worden wanneer ze in eigen beheer in grote volumes worden ontwikkeld. Hij is echter voorzichtig om niet te veel te zeggen over de ionische vloeistoffen die zijn team heeft ontwikkeld, en onthult alleen dat er verschillende kanshebbers zijn die goed lijken te werken.
Friesen is ook voorzichtig als het gaat om het andere belangrijke onderdeel van het onderzoek van Fluidic Energy: een metalen elektrodestructuur die het probleem van dendrietvorming oplost. Deze takachtige structuren kunnen bijvoorbeeld op een zinkelektrode groeien en een metaal-luchtbatterij kortsluiten. Dendrietvorming vindt plaats in oplaadbare batterijen wanneer de chemische reacties worden omgekeerd, waardoor het aantal oplaadcycli wordt beperkt. Fluidic Energy heeft een elektrodenstel ontwikkeld met multimodale porositeit, wat betekent dat het een reeks poriegroottes heeft tot maar liefst 10 nanometer. De steiger omringt het metaal, in dit geval zink, en kan voorkomen dat dendrieten ontstaan tijdens het opladen.
Met de mogelijkheid om verdamping te elimineren, spanning te verhogen en dendrieten te elimineren, werken we er nu aan om het naar een hoger niveau te tillen, zegt Friesen. Het gaat erom alles wat we de afgelopen vier jaar hebben gedaan, te combineren met een batterij die eruitziet en aanvoelt als een lithiumbatterij, maar een veel hogere energiedichtheid heeft.
Dit zou betekenen dat energieopslag niet langer een beperkende factor zou zijn voor hernieuwbare energie en elektrische voertuigen die 400 tot 500 mijl zouden kunnen afleggen op één lading, zegt hij, tegen een prijs die net iets meer is dan die van loodzuurbatterijen.