Satsa på ett metall-luftbatteri genombrott

En spinoff från Arizona State University säger att det kan utveckla ett metall-luftbatteri som dramatiskt överträffar de bästa litiumjonbatterierna på marknaden, och nu har det finansieringen som behövs för att bevisa det.

Flytande salt: Den här bilden visar joniska vätskor (de blå kulorna) i en bägare med mineralolja.

Det amerikanska energidepartementet tilldelade förra veckan ett forskningsanslag på 5,13 miljoner dollar till Scottsdale, AZ-baserade Flytande energi mot utveckling av ett metall-luftbatteri som förlitar sig på joniska vätskor, istället för en vattenlösning, som sin elektrolyt.

Företaget siktar på att bygga ett Metal-Air Ionic Liquid-batteri som har upp till 11 gånger energitätheten jämfört med de bästa litiumjonteknologierna för mindre än en tredjedel av kostnaden. Cody Friesen , en professor i materialvetenskap vid Arizona State och grundare av Fluidic Energy, säger att användningen av joniska vätskor övervinner många av de problem som har hållit tillbaka metall-luft-batterier i det förflutna. Jag påstår inte att vi har det än, men om vi lyckas förändrar det verkligen hur vi tänker kring lagring, säger Friesen, som utsågs till en av Teknikgranskning bästa innovatörer under 35 år 2009.

Metall-luft-batterier, som de som använder en zinkanod, är vanligtvis beroende av vattenbaserade elektrolyter. Syre från omgivande luft sugs in genom en porös luftelektrod (-katod) och producerar hydroxyljoner vid kontakt med elektrolyten. Dessa joner når anoden och börjar oxidera zinken - en reaktion som producerar ström genom frigörandet av elektroner.

Men som vilken vattenlösning som helst, kan vattnet i elektrolyten avdunsta, vilket gör att batterierna går sönder i förtid. Vatten har också ett relativt lågt elektrokemiskt fönster, vilket innebär att det börjar sönderdelas när cellen överstiger 1,23 volt. Det här var två problem som forskare vid U.S. Air Force Academy började ta itu med för cirka 25 år sedan. I början av 1980-talet experimenterade de med joniska vätskor – salter som är en vätska vid rumstemperatur, och som ofta kan förbli en vätska vid minusgrader eller över vattnets kokpunkt.

De är undervätskor. De är anmärkningsvärda, säger John Wilkes , en expert på joniska vätskor som leder akademins kemiavdelning. Om du tittar på dessa vätskor i en flaska ser de ut som vatten, förutom att de är trögflytande. De är inte flyktiga, de förångas inte, de är fysiskt stabila och de leder elektricitet ganska bra.

Friesen, vars forskargrupp i Arizona State har tillbringat de senaste åren med att experimentera med olika joniska vätskor, säger att ett metall-luftbatteri som använder en jonisk vätska som dess elektrolyt inte bara fungerar betydligt längre – eftersom uttorkning inte längre är ett problem – utan det också får ett stort uppsving i energitäthet. Dessa vätskor har elektrokemiska stabilitetsfönster på upp till fem volt, så det låter dig gå till mycket mer energitäta metaller än zink. Han säger att hans forskargrupp kommer att inrikta sig på energitätheter på minst 900 wattimmar per kilogram och upp till 1 600 wattimmar per kilogram i det DOE-finansierade projektet.

Problemet med joniska vätskor är att de fortfarande tillverkas i små mängder, vilket gör dem dyra jämfört med många andra lösningsmedel som används för att lösa upp salter. Men vissa människor gör joniska vätskor nu av saker som redan är kända och produceras i stora mängder, som tvättmedel, säger Wilkes.

Robin Rogers , en professor i kemi vid University of Alabama, säger att utmaningen är att hitta joniska vätskor med rätt uppsättning egenskaper som helt kan förändra den ekonomiska ekvationen för metall-luft-batterier. Det är inte omöjligt, säger han. Jag tittar på joniska vätskor och säger, ta ett steg tillbaka, för du behöver göra det på ett helt annat sätt.

Friesen tonar ner kostnadsoroen och påpekar att vätskorna blir ganska ekonomiska när de utvecklas internt i stora volymer. Han är dock försiktig med att inte säga för mycket om de joniska vätskorna som hans team har utvecklat, och avslöjar bara att det finns flera utmanare som verkar fungera bra.

Friesen är också försiktig när han talar om den andra nyckelkomponenten i Fluidic Energys forskning: en metallelektrodstruktur som övervinner problemet med dendritbildning. Dessa grenliknande strukturer kan växa på till exempel en zinkelektrod och få ett metall-luftbatteri att kortsluta. Dendritbildning sker i laddningsbara batterier när de kemiska reaktionerna vänds, vilket begränsar antalet laddningscykler. Fluidic Energy har utvecklat en elektrodställning med multimodal porositet, vilket innebär att den har en rad porstorlekar ner till så små som 10 nanometer. Ställningen omger metallen, i detta fall zink, och kan förhindra dendriter som bildas under laddning.

Med förmågan att eliminera avdunstning, öka spänningen och eliminera dendriter, arbetar vi nu med att ta det till nästa nivå, säger Friesen. Det handlar om att ta allt vi har gjort under de senaste fyra åren och utnyttja det arbetet till ett batteri som ser ut och känns precis som ett litiumbatteri, men som har energitätheter långt utöver det.

Detta skulle innebära att energilagring inte längre skulle vara en begränsande faktor för förnybar energi, och elfordon som skulle kunna åka 400 till 500 mil på en enda laddning, säger han, till en kostnad bara lite över blybatterier.

Dölj