Sats på et Metal-Air-batterigennembrud

Et spin-off fra Arizona State University siger, at det kan udvikle et metal-luft-batteri, der dramatisk overgår de bedste lithium-ion-batterier på markedet, og nu har det den nødvendige finansiering til at bevise det.

Flydende salt: Dette billede viser ioniske væsker (de blå kugler) i et bæger med mineralolie.

Det amerikanske energiministerium tildelte i sidste uge et forskningslegat på $5,13 millioner til Scottsdale, AZ-baseret Flydende energi mod udvikling af et metal-luft-batteri, der er afhængig af ioniske væsker, i stedet for en vandig opløsning, som sin elektrolyt.

Virksomheden sigter mod at bygge et Metal-Air Ionic Liquid-batteri, der har op til 11 gange energitætheden af ​​de bedste lithium-ion-teknologier til mindre end en tredjedel af prisen. Cody Friesen , professor i materialevidenskab ved Arizona State og grundlægger af Fluidic Energy, siger, at brugen af ​​ioniske væsker overvinder mange af de problemer, der har holdt metal-luft-batterier tilbage i fortiden. Jeg påstår ikke, at vi har det endnu, men hvis det lykkes, ændrer det virkelig den måde, vi tænker opbevaring på, siger Friesen, der blev udnævnt til en af Teknologigennemgang topinnovatører under 35 år i 2009.

Metal-luft-batterier, såsom dem, der bruger en zinkanode, er typisk afhængige af vandbaserede elektrolytter. Ilt fra den omgivende luft suges ind gennem en porøs luftelektrode (-katode) og producerer hydroxylioner ved kontakt med elektrolytten. Disse ioner når anoden og begynder at oxidere zinken - en reaktion, der producerer strøm gennem frigivelse af elektroner.

Men ligesom enhver vandig opløsning kan vandet i elektrolytten fordampe, hvilket får batterierne til at svigte for tidligt. Vand har også et relativt lavt elektrokemisk vindue, hvilket betyder, at det begynder at nedbrydes, når cellen overstiger 1,23 volt. Disse var to problemer, forskere ved U.S. Air Force Academy begyndte at tackle for omkring 25 år siden. I begyndelsen af ​​1980'erne eksperimenterede de med ioniske væsker - salte, der er en væske ved stuetemperatur, og som ofte kan forblive en væske i minusgrader eller over vands kogepunkt.

De er vidundervæsker. De er bemærkelsesværdige, siger John Wilkes , en ekspert i ioniske væsker, der leder akademiets kemiafdeling. Hvis du ser på disse væsker i en flaske, ligner de vand, bortset fra at de er tyktflydende. De er ikke flygtige, de fordamper ikke, de er fysisk stabile, og de leder elektricitet ret godt.

Friesen, hvis forskerhold i Arizona State har brugt de sidste par år på at eksperimentere med forskellige ioniske væsker, siger, at et metal-luftbatteri, der bruger en ionisk væske som dets elektrolyt, ikke kun fungerer væsentligt længere – fordi udtørring ikke længere er et problem – men det er også får et stort løft i energitæthed. Disse væsker har elektrokemiske stabilitetsvinduer på op til fem volt, så det giver dig mulighed for at gå til meget mere energitætte metaller end zink. Han siger, at hans forskerhold vil målrette energitætheder på mindst 900 watt-timer per kilogram og op til 1.600 watt-timer per kilogram i det DOE-finansierede projekt.

Problemet med ioniske væsker er, at de stadig laves i små mængder, hvilket gør dem dyre sammenlignet med mange andre opløsningsmidler, der bruges til at opløse salte. Men nogle mennesker laver nu ioniske væsker af ting, der allerede er kendt og produceret i store mængder, som rengøringsmidler, siger Wilkes.

Robin Rogers , en professor i kemi ved University of Alabama, siger, at udfordringen er at finde ioniske råvarer med det rigtige sæt egenskaber, som fuldstændig kan ændre den økonomiske ligning for metal-luft-batterier. Det er ikke umuligt, siger han. Jeg ser på ioniske væsker og siger, tag et skridt tilbage, for du skal gøre det på en helt anden måde.

Friesen nedtoner omkostningsbekymringen og påpeger, at væskerne bliver ret økonomiske, når de udvikles internt i store mængder. Han er dog forsigtig med ikke at sige for meget om de ioniske væsker, som hans team har udviklet, og afslører kun, at der er flere konkurrenter, der ser ud til at fungere godt.

Friesen er også forsigtig, når han taler om den anden nøglekomponent i Fluidic Energys forskning: en metalelektrodestruktur, der overvinder problemet med dendritdannelse. Disse grenlignende strukturer kan vokse på for eksempel en zinkelektrode og få et metal-luftbatteri til at kortslutte. Dendritdannelse sker i genopladelige batterier, når de kemiske reaktioner vendes, hvilket begrænser antallet af opladningscyklusser. Fluidic Energy har udviklet et elektrodestillads med multimodal porøsitet, hvilket betyder, at det har en række porestørrelser ned til så små som 10 nanometer. Stilladset omgiver metallet, i dette tilfælde zink, og kan forhindre dendritter, der dannes under opladning.

Med evnen til at eliminere fordampning, booste spændingen og eliminere dendritter, arbejder vi nu på at tage det til næste niveau, siger Friesen. Det handler om at tage alt, hvad vi har gjort i løbet af de sidste fire år, og udnytte det arbejde til et batteri, der ligner og føles ligesom et lithiumbatteri, men som har energitætheder langt ud over det.

Dette ville betyde, at energilagring ikke længere ville være en begrænsende faktor for vedvarende energi, og elektriske køretøjer, der kunne køre 400 til 500 miles på en enkelt opladning, siger han, til en pris lige lidt over bly-syre-batterier.

skjule