Een nieuwe nanogestructureerde legering voor anode is een grote stap in de richting van een revolutie in energieopslag

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

De legering op basis van zink en mangaan opent verder de deur voor het vervangen van oplosmiddelen die vaak worden gebruikt in batterij-elektrolyten door iets veel veiliger en goedkoper, en ook in overvloed: zeewater.

Bevindingen zijn gepubliceerd in Nature Communications.

“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”, zegt Zhenxing Feng, een onderzoeker in 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 is relatief laag, en ook het water zal reageren met het lithium, wat het wijdverbreide gebruik van waterige batterijen verder heeft belemmerd. “

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

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

“Elektrolyten in lithium-ionbatterijen worden gewoonlijk opgelost in organische oplosmiddelen, die ontvlambaar zijn en vaak worden afgebroken bij hoge bedrijfsspanningen”, zei Feng. “Er zijn dus duidelijk bezorgdheid over de veiligheid, ook met de groei van lithiumdendriet op het grensvlak elektrode-elektrolyt; dat kan een kortsluiting tussen de elektroden veroorzaken.”

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

Verbrandingsincidenten met lithium-ionbatterijen in de afgelopen jaren zijn onder meer een brand in een geparkeerde 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, kunnen snel worden opgeladen en hebben een hoge vermogensdichtheid en zijn zeer tolerant ten aanzien van verkeerd gebruik.

Het grootschalige gebruik ervan wordt echter belemmerd 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 afgeven) .

Maar onderzoekers van Oregon State, 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 de vorming van dendriet door de thermodynamica van de oppervlaktereactie en de reactiekinetiek te beheersen, het toont ook een superhoge stabiliteit gedurende duizenden cycli onder zware elektrochemische omstandigheden”, zei Feng. “Het gebruik van zink kan twee keer zoveel ladingen overdragen als lithium, waardoor de energiedichtheid van de batterij verbetert.

“We hebben onze waterige batterij ook getest met zeewater in plaats van zeer zuiver gedeïoniseerd water als elektrolyt,” voegde hij eraan toe. “Ons werk toont het commerciële potentieel aan 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 functioneerde in de batterij.

“Onze theoretische en experimentele studies hebben aangetoond dat de 3D-legeringsanode een ongeëvenaarde grensvlakstabiliteit heeft, bereikt door een gunstig diffusiekanaal van zink op het legeringsoppervlak”, zei Feng. “Het concept dat in dit gezamenlijke werk wordt gedemonstreerd, zal waarschijnlijk een paradigmaverschuiving teweegbrengen in het ontwerp van hoogwaardige legeringsanodes voor waterige en niet-waterige batterijen, wat een revolutie teweegbrengt in de batterij-industrie.”