Obstawianie przełomowej baterii metalowo-powietrznej

Firma spinoff z Arizona State University twierdzi, że może opracować akumulator metalowo-powietrzny, który znacznie przewyższa najlepsze akumulatory litowo-jonowe na rynku, a teraz ma fundusze, których potrzebuje, aby to udowodnić.

Sól płynna: Ten obraz przedstawia ciecze jonowe (niebieskie kulki) w zlewce z olejem mineralnym.

Departament Energii USA przyznał w zeszłym tygodniu grant badawczy w wysokości 5,13 miliona dolarów firmie Scottsdale w stanie Arizona Energia płynów w kierunku opracowania akumulatora metalowo-powietrznego, którego elektrolitem są ciecze jonowe zamiast roztworu wodnego.

Firma dąży do zbudowania akumulatora z cieczą metalowo-powietrzną i jonową, która ma do 11 razy większą gęstość energii niż najlepsze technologie litowo-jonowe za mniej niż jedną trzecią kosztów. Cody Friesen , profesor materiałoznawstwa w stanie Arizona i założyciel Fluidic Energy, mówi, że użycie cieczy jonowych rozwiązuje wiele problemów, które w przeszłości powstrzymywały akumulatory metalowo-powietrzne. Nie twierdzę, że jeszcze go mamy, ale jeśli nam się to uda, naprawdę zmieni to sposób, w jaki myślimy o przechowywaniu, mówi Friesen, który został uznany za jednego z Przegląd technologii najlepsi innowatorzy w wieku poniżej 35 lat w 2009 roku.

Baterie metalowo-powietrzne, takie jak te wykorzystujące cynkanodę, zazwyczaj opierają się na elektrolitach na bazie wody. Tlen z otaczającego powietrza jest wciągany przez porowatą elektrodę powietrzną (-katodę) i wytwarza jony hydroksylowe w kontakcie z elektrolitem. Jony te docierają do anody i zaczynają utleniać cynk – w reakcji, która wytwarza prąd poprzez uwolnienie elektronów.

Ale jak każdy roztwór wodny, woda w elektrolicie może wyparować, powodując przedwczesną awarię akumulatorów. Woda ma również stosunkowo niskie okno elektrochemiczne, co oznacza, że ​​zacznie się rozkładać, gdy napięcie w ogniwie przekroczy 1,23 wolta. Były to dwa problemy, z którymi badacze z Akademii Sił Powietrznych USA zaczęli się zmagać około 25 lat temu. Na początku lat 80. eksperymentowali z cieczami jonowymi – solami, które są cieczą w temperaturze pokojowej i często pozostają cieczą w temperaturach poniżej zera lub powyżej temperatury wrzenia wody.

To cudowne płyny. Są niezwykłe, mówi John Wilkes , ekspert od cieczy jonowych, który kieruje wydziałem chemii akademii. Jeśli spojrzysz na te płyny w butelce, wyglądają jak woda, z wyjątkiem tego, że są lepkie. Nie są lotne, nie odparowują, są stabilne fizycznie i dość dobrze przewodzą prąd.

Friesen, którego zespół badawczy w stanie Arizona spędził ostatnie kilka lat eksperymentując z różnymi cieczami jonowymi, mówi, że bateria metalowo-powietrzna wykorzystująca ciecz jonową jako elektrolit nie tylko działa znacznie dłużej – ponieważ wysychanie nie stanowi już problemu – ale także otrzymuje duży wzrost gęstości energii. Ciecze te mają okna stabilności elektrochemicznej dochodzące do pięciu woltów, co pozwala na zastosowanie znacznie bardziej energetycznie gęstych metali niż cynk. Mówi, że jego zespół badawczy będzie dążył do gęstości energii na poziomie co najmniej 900 watogodzin na kilogram i do 1600 watogodzin na kilogram w ramach projektu finansowanego przez DOE.

Problem z cieczami jonowymi polega na tym, że nadal wytwarza się je w małych ilościach, co czyni je drogimi w porównaniu z wieloma innymi rozpuszczalnikami używanymi do rozpuszczania soli. Ale niektórzy ludzie wytwarzają teraz ciecze jonowe z rzeczy, które są już znane i produkowane w dużych ilościach, takich jak detergenty, mówi Wilkes.

Robin Rogers , profesor chemii na Uniwersytecie Alabama, mówi, że wyzwaniem jest znalezienie towarowych cieczy jonowych o odpowiednim zestawie właściwości, które mogą całkowicie zmienić równanie ekonomiczne dla baterii metal-powietrze. To nie jest niemożliwe, mówi. Patrzę na ciecze jonowe i mówię, cofnij się o krok, bo trzeba to zrobić zupełnie inaczej.

Friesen bagatelizuje kwestię kosztów, wskazując, że płyny stają się dość ekonomiczne, gdy są opracowywane we własnym zakresie w dużych ilościach. Uważa jednak, aby nie mówić zbyt wiele o cieczach jonowych, które opracował jego zespół, ujawniając tylko, że jest kilku rywali, którzy wydają się działać dobrze.

Friesen jest również ostrożny, gdy mówi o innym kluczowym elemencie badań Fluidic Energy: konstrukcji metalowej elektrody, która rozwiązuje problem tworzenia się dendrytów. Te struktury przypominające gałęzie mogą rosnąć na przykład na elektrodzie cynkowej i powodować zwarcie baterii metalowo-powietrznej. Tworzenie się dendrytów ma miejsce w akumulatorach, gdy reakcje chemiczne ulegają odwróceniu, co ogranicza liczbę cykli ładowania. Firma Fluidic Energy opracowała rusztowanie elektrodowe o wielomodalnej porowatości, co oznacza, że ​​ma zakres rozmiarów porów do zaledwie 10 nanometrów. Rusztowanie otacza metal, w tym przypadku cynk, i może zapobiegać powstawaniu dendrytów podczas ładowania.

Dzięki możliwości wyeliminowania parowania, zwiększenia napięcia i wyeliminowania dendrytów pracujemy teraz nad przeniesieniem tego na wyższy poziom, mówi Friesen. Chodzi o to, aby wziąć wszystko, co zrobiliśmy w ciągu ostatnich czterech lat, i wykorzystać tę pracę do baterii, która wygląda i działa jak bateria litowa, ale ma znacznie większą gęstość energii.

Oznaczałoby to, że magazynowanie energii nie byłoby już czynnikiem ograniczającym dla energii odnawialnej, a pojazdy elektryczne, które mogłyby przejechać od 400 do 500 mil na jednym ładowaniu, za cenę nieco przewyższającą akumulatory kwasowo-ołowiowe.

ukryć