Grote verschillen in opslagcapaciteiten gevonden in op water gebaseerde batterijen in een project gefinancierd door het Amerikaanse ministerie van Energie en de National Science Foundation. Met deze ontdekking is het mogelijk om binnenkort lithiumvrije batterijen te realiseren.
Wetenschappers van de Texas A&M University hebben een verschil van 1000% ontdekt in de opslagcapaciteit van metaalvrije elektroden voor waterbatterijen. Deze batterijen zijn uniek in vergelijking met lithium-ionbatterijen.
Wetenschappers willen zich richten op stammen van dit batterijtype om meer controle te krijgen over binnenlandse toeleveringsketens. Potentiële brand kan worden vermeden met deze batterijen omdat ze een veiligere chemie hebben.
Volgens professor Lutkenhaus hebben waterige batterijen een elektrode, een anode en een kathode. Kathodes en anodes zijn polymeren en slaan energie op. Elektrolyten worden gemengd met water en organische zouten.
Het reageert met elektroden en is essentieel voor energieopslag en ionengeleiding. Niet-geconjugeerde radicalen en redoxactieve polymeren zijn de beste kandidaten voor metaalvrije waterige batterijen . Polymeren hebben snelle redoxkinetiek en een hoge ontladingsspanning. Dit maakt de reactie complex en moeilijk.
Professor Jodie Lutkenhaus, hoogleraar chemische technologie, zei: "Er zouden geen batterijbranden meer voorkomen omdat ze op waterbasis zijn. Als er in de toekomst materiaalschaarste wordt verwacht, zal de prijs van lithium-ionbatterijen enorm stijgen."
Als we over deze alternatieve batterij beschikken, kunnen we overstappen op deze chemie. De aanvoer hiervan is veel stabieler, omdat we ze hier in de Verenigde Staten kunnen produceren en de materialen om ze te maken hier te vinden zijn.
"Als een elektrode tijdens het laden en ontladen te veel opzwelt, kan deze geen elektronen meer goed geleiden en verlies je alle prestaties", zei ze. "Ik geloof dat er een verschil van 1,000% in energieopslagcapaciteit is, afhankelijk van de keuze van het elektrolyt, vanwege de zwellingseffecten."
Andere onderzoekers van het project vermeldden: "We tonen de aard van de redoxreactie aan door waterige elektrolyten met verschillende chao-/kosmotrope eigenschappen te onderzoeken met behulp van een elektrochemische kwartskristalmicrobalans met dissipatiemonitoring over verschillende tijdschalen."
Om te controleren of de kathode van een batterij beter functioneert in aanwezigheid van bepaalde zouten, hebben onderzoekers het proces macroscopisch geobserveerd . Ze hebben gemeten hoeveel water en zout er precies in de batterij terechtkomt tijdens het gebruik.
Dr. Daniel Tabor , universitair docent chemie, zei: "Theorie en experiment werken vaak nauw samen om deze materialen te begrijpen. Een van de nieuwe dingen die we in dit artikel met behulp van computerberekeningen doen, is dat we de elektrode daadwerkelijk tot meerdere ladingstoestanden opladen en kijken hoe de omgeving op deze lading reageert."
We deden dat om uit te leggen wat er experimenteel is waargenomen. Met deze nieuwe energieopslagtechnologie is dit een stap voorwaarts naar lithiumvrije batterijen.
We hebben op moleculair niveau een beter beeld van wat ervoor zorgt dat sommige batterij-elektroden beter werken dan andere, en dit geeft ons sterk bewijs voor de richting die we op moeten in het materiaalontwerp.â€
De ontdekking van grote verschillen in opslagcapaciteiten in op water gebaseerde batterijen is een keerpunt. Binnenkort kunnen we lithiumvrije batterijen hebben.
Bron: Nature Materials
