211service.com
Vattentäta litium-luftbatterier
Ett företag baserat i Berkeley, Kalifornien, utvecklar lätta, högenergibatterier som kan använda den omgivande luften som katod. PolyPlus samarbetar med ett tillverkningsföretag för att utveckla litiummetall-luftbatterier för engångsbruk åt regeringen, och de förväntar sig att dessa batterier kommer att finnas på marknaden inom några år. Företaget har också laddningsbara litiummetall-luftbatterier i de tidiga utvecklingsstadierna som så småningom kan driva elfordon som kan gå längre mellan laddningarna.
Vattenkraft : Ett prototypbatteri tillverkat av PolyPlus använder litiummetall som anod och saltvatten som katod för att driva en lysdiod. När batteriet laddas ur diffunderar litiumjoner ut i vattnet, men enheten skadar inte den omgivande clownfisken.
Intresset för litiummetall-luftbatterier har ökat de senaste åren, tillsammans med efterfrågan på lättare kraftkällor för enheter som sträcker sig från plug-in hybridfordon till bärbara datorer. I litiumjonbatterier är elektroderna gjorda av material som grafit, medan i ett litiummetallbatteri är anoden helt uppbyggd av litiummetall och den omgivande luften kan fungera som katod.
Litium-metallbatterier närmar sig energitätheten hos bränsleceller utan den rörledning som behövs för dessa enheter; i teorin är den maximala energitätheten mer än 5 000 wattimmar per kilogram, eller mer än 10 gånger den för dagens litiumjonbatterier. Litiummetall-luftbatterier är också mycket lätta eftersom det inte är nödvändigt att bära en andra reaktant. Litiummetall är den heliga graal-batterimaterialet, säger Steven Visco, teknisk chef och grundare av PolyPlus.
IBM meddelade nyligen att de skulle utveckla litiummetall-luftbatterier för energinätet och för transporter. Litiumjon är guldstandarden, men det som kan slå det är litiummetall, säger Paul Beach , ordförande för batteritillverkaren Quallion i Sylmar, CA.
Att använda litiummetall som batterielektrod har dock visat sig problematiskt, främst eftersom materialet reagerar snabbt och häftigt med vatten. Folk har tänkt på litium-luftbatterier i årtionden, men det finns alltid vatten i luften, säger Visco. Exponering för jämna spår av vatten bryter snabbt ned materialet.
PolyPlus har löst detta problem genom att utveckla vad företaget kallar en skyddad litiumelektrod. Enheten består av en platt, rektangulär bit av litiummetall som på vardera sidan är belagd med ett keramiskt elektrolytmaterial som kallas lisicon. Den fasta elektrolyten är ogenomtränglig för vatten men låter litiumjoner passera igenom. En annan beläggning skyddar elektrolyten från att reagera med litiummetallen. Och slutligen är kanterna på enheten förseglade med ett aluminium-polymerlaminat som liknar en potatispåse. Laminatet ger en vattentät tätning, och det är flexibelt, så det skapar ingen påfrestning när elektroden krymper vid användning.
När litium-metallelektroden placeras i vatten läcker litiumjoner ut och reagerar med syre löst i vattnet eller med själva vattnet. För att göra ett litiummetall-luftbatteri är enheten utrustad med en gasdiffusionselektrod som liknar de som används för hörapparatbatterier av zinkmetall-luft. När batteriet slås på drar elektroden in syre genom membranet för att reagera med litiumjonerna. Men till skillnad från hörapparatbatterier kommer dessa enheter inte att laddas ur själv med tiden. Du kan lämna batteriet på hyllan i månader och förvänta dig att det fungerar eftersom membranet skyddar det, säger Visco. Och eftersom de är baserade på högenergilitiummetall håller dessa batterier mycket längre och är lättare än zink-luftbatterier.
PolyPlus testar för närvarande litiummetall-havsvattenbatterier i samband med Monterey Bay Aquarium Research Institute för att avgöra om de klarar verkliga arbetsförhållanden. En oro är att mikroorganismer i havet kommer att växa på batteriernas yta och försämra deras funktion, även om preliminära tester har gett goda resultat.
Engångsbatterierna tillverkade av företaget använder en bit litiummetall som är cirka två kvadratcentimeter och tre millimeter tjock; de har en lagringskapacitet nära den för litiumjonbatterierna i dagens bärbara datorer på en femtedel av vikten. Företaget har samarbetat med batteritillverkaren Quallion att producera batterier baserade på PolyPlus elektroddesigner och kommer att tillverka batterier under kontrakt för en hemlig myndighet. Quallion säger att litium-metallelektroder kan bearbetas med mycket av den infrastruktur som redan finns på plats för att tillverka litiumjonbatterier. Det krävs vissa försiktighetsåtgärder för att hantera materialet, men det finns inga knep med det, säger Beach.
Litium-metallbatterier har potential att vara transformerande för undervattensapplikationer, säger James Bellingham , Monterey Bay Aquarium Research Institutes chefsteknolog. Den mesta havsforskningen äger rum nära stranden eftersom, som Bellingham säger, i havet finns det inga pluggar för att ladda de sensorladdade autonoma farkosterna som övervakar haven. Batterier med högre energidensitet skulle kunna möjliggöra mycket bättre övervakning av klimatförändringarnas effekter på planeten, säger Bellingham.