Nya ”vattenbatterier” håller sig svala under tryck

Illustration av jonernas depositionsbeteende och gränsytans kemi på bar Zn (övre) och Zn@Bi/Bi2O3-elektroden (nedre) under cykelprocessen. Kredit: Advanced Materials (2024). DOI: 10.1002/adma.202400237
Illustration av jonernas depositionsbeteende och gränsytans kemi på bar Zn (övre) och Zn@Bi/Bi2O3-elektroden (nedre) under cykelprocessen. Kredit: Advanced Materials (2024). DOI: 10.1002/adma.202400237

Ett globalt team av forskare och industrisamarbetspartners under ledning av RMIT University har uppfunnit återvinningsbara ”vattenbatterier” som inte fattar eld eller exploderar.

Litiumjonbatterier dominerar marknaden på grund av sin tekniska mognad, men deras lämplighet för storskalig energilagring i elnätet begränsas av säkerhetsproblem med de flyktiga materialen inuti.

Den ledande forskaren, professor Tianyi Ma, säger att deras batterier ligger i framkant inom ett framväxande område med vattenbaserade energilagringsenheter, med genombrott som avsevärt förbättrar teknikens prestanda och livslängd.

”Det vi konstruerar och tillverkar kallas vattenhaltiga metalljonbatterier – eller vi kan kalla dem vattenbatterier”, säger Ma, från RMIT:s School of Science.

Teamet använder vatten för att ersätta organiska elektrolyter – som möjliggör flödet av elektrisk ström mellan de positiva och negativa polerna – vilket innebär att deras batterier inte kan börja brinna eller explodera – till skillnad från deras litiumjonmotsvarigheter.

”Våra batterier kan demonteras på ett säkert sätt och materialen kan återanvändas eller återvinnas, vilket är en lösning på de utmaningar som konsumenter, industri och regeringar globalt står inför när det gäller bortskaffande av uttjänta batterier med nuvarande energilagringsteknik”, säger Ma.

De enkla tillverkningsprocesserna för deras vattenbatterier bidrog till att göra massproduktion möjlig, säger han.

”Vi använder material som magnesium och zink som förekommer rikligt i naturen, är billiga och mindre giftiga än alternativ som används i andra typer av batterier, vilket bidrar till att sänka tillverkningskostnaderna och minska riskerna för människors hälsa och miljön.”

Vad är potentialen för energilagring och livscykel?

Teamet har tillverkat en rad småskaliga testbatterier för ett flertal referentgranskade studier för att hantera olika tekniska utmaningar, bland annat att öka energilagringskapaciteten och livslängden.

I sitt senaste arbete, som publicerats i Advanced Materials, har de övervunnit en stor utmaning – tillväxten av störande dendriter, som är spetsiga metallformationer som kan leda till kortslutningar och andra allvarliga fel.

Teamet täckte de berörda batteridelarna med en metall som kallas vismut och dess oxid (även känd som rost) som ett skyddande skikt som förhindrade dendritbildning.

Vad blev resultatet?

”Våra batterier håller nu betydligt längre – jämfört med de kommersiella litiumjonbatterierna på marknaden – vilket gör dem idealiska för snabb och intensiv användning i verkliga tillämpningar.”

”Med imponerande kapacitet och förlängd livslängd har vi inte bara utvecklat batteritekniken utan också framgångsrikt integrerat vår design med solpaneler, vilket visar på effektiv och stabil lagring av förnybar energi.”

Teamets vattenbatteri närmar sig litiumjontekniken när det gäller energidensitet, med målet att använda så lite utrymme per energienhet som möjligt.

”Vi tillverkade nyligen ett magnesiumjonvattenbatteri som har en energidensitet på 75 wattimmar per kilogram (Wh kg-1) – upp till 30 % av de senaste Tesla-bilbatterierna.”

Denna forskning har publicerats i Small Structures.

”Nästa steg är att öka energitätheten i våra vattenbatterier genom att utveckla nya nanomaterial som elektrodmaterial.”

Ma säger att magnesium sannolikt kommer att vara det material som väljs för framtida vattenbatterier.

”Magnesiumjon-vattenbatterier har potential att ersätta blybatteriet på kort sikt – ett till tre år – och att ersätta det potentiella litiumjonbatteriet på lång sikt, 5 till 10 år från nu.”

”Magnesium är lättare än de alternativa metallerna, inklusive zink och nickel, har en större potentiell energidensitet och kommer att möjliggöra batterier med snabbare laddningstider och bättre kapacitet att stödja strömhungriga enheter och applikationer.”

Ma säger att teamets batterier är väl lämpade för storskaliga tillämpningar, vilket gör dem idealiska för nätlagring och integration av förnybar energi – särskilt när det gäller säkerhetsaspekter.

”I takt med att vår teknik utvecklas kan andra typer av småskaliga energilagringstillämpningar bli verklighet, till exempel för att driva människors hem och underhållningsenheter.”

”Ammonium-ion energy storage devices for real-life deployment: storage mechanism, electrode design and system integration”, som publiceras i Energy and Environmental Science, innehåller också en omfattande genomgång från Ma’s team av vattenbatteriernas historia, utmaningar och potential.

Ytterligare information: Xiaomeng Tian et al, Synergy of Dendrites‐Impeded Atomic Clusters Dissociation and Side Reactions Suppressed Inert Interface Protection for Ultrastable Zn Anode, Advanced Materials (2024). DOI: 10.1002/adma.202400237

Mudi Li et al, Interface Polarization Effects Enhancing Mn2O3@TiO2@MXene Heterostructures for Aqueous Magnesium Ion Capacitors: Guided Charge Distribution and Transportation via Built‐in Electric Fields, Small Structures (2023). DOI: 10.1002/sstr.202300371

Ying Sun et al, Ammonium-ion energy storage devices for real-life deployment: storage mechanism, electrode design and system integration, Energy & Environmental Science (2023). DOI: 10.1039/D3EE02030D

Bli först med att kommentera

Lämna ett svar

Din e-postadress kommer inte att publiceras.