Billy Hurley, Digital Editorial Manager
Metal-luft-batterier er lette, kompakte energikilder med en høj energitæthed, men de har haft en stor begrænsning: De korroderer.
Et nyt design fra Massachusetts Institute of Technology bruger olie til at reducere korrosionen og forlænge holdbarheden af metal-luftbatterier til engangsbrug.
Nøglen: For at forhindre, at metallet forringes, placerede MIT-forskerne en oliebarriere mellem aluminiumelektroden og elektrolytten – den væske mellem de to batterielektroder, som tærer på aluminiumet, når batteriet er på standby.
Olien pumpes hurtigt væk og erstattes med elektrolyt, så snart batteriet bruges.
Som følge heraf er energitabet reduceret til kun 0.02 procent om måneden – mere end en tusindfold forbedring, ifølge MIT-holdet.
Fundene blev rapporteret i sidste uge i tidsskriftet Science af den tidligere MIT-gravide studerende Brandon J. Hopkins ’18, W.M. Keck-professor i energi Yang Shao-Horn og professor i maskinteknik Douglas P. Hart.
Hvordan fungerer et metal-luft-batteri helt præcist?
Et metal-luft-batteri bruger en type metal (f.eks. aluminium) som anode, luft som katode sammen med en flydende elektrolyt.
I tilfældet med aluminium kombineres ilt fra luften derefter med metallet for at skabe aluminiumhydroxid, som aktiverer elektrolyseprocessen og skaber en strøm.
Da aluminium tiltrækker vand, klæber den resterende elektrolyt ofte til aluminiumelektrodens overflader, selv efter at elektrolytten er drænet ud af cellen.
“Batterierne har komplekse strukturer, så der er mange hjørner, som elektrolytten kan sidde fast i,” siger Hopkins .
De mange hjørner fører til mange muligheder for korrosion.
Hopkins og hans team har imidlertid placeret en tynd membranbarriere mellem batteriets elektroder; begge sider af membranen er fyldt med en flydende elektrolyt, når batteriet er i brug.
Når batteriet sættes på standby, pumpes der olie ind i den side, der er tættest på aluminiumelektroden, hvilket beskytter aluminiumoverfladen mod elektrolytten på den anden side af membranen.
Aluminium, når det nedsænkes i vand, afviser olie fra overfladen. Når batteriet genaktiveres, og elektrolytten pumpes tilbage i cellen, fortrænger elektrolytten let olien fra aluminiumoverfladen, hvilket genopretter batteriets effekt.
Resultatet er en aluminium-luft-prototype med en meget længere holdbarhed end konventionelle aluminium-luft-batterier. Når batteriet blev brugt gentagne gange og derefter sat på standby i en til to dage, holdt MIT-designet 24 dage, mens det konventionelle design kun holdt i tre dage.
Selv når olie og et pumpesystem indgår i opskalerede primære aluminium-luft-batteripakker, er de stadig fem gange lettere og dobbelt så kompakte som genopladelige litium-ion-batteripakker til elbiler, rapporterede forskerne.
I øjeblikket bruges aluminium-luft-batterier som reserveenergikilder. Professor Hart talte med Tech Briefs om, hvorfor han mener, at det nye design en dag vil finde vej ud over nicheapplikationer og ind i elektriske køretøjer.
Tech Briefs: Douglas Hart, professor i maskinteknik: “Hvorfor er metal-luft-batterier værdifulde?
Douglas Hart, professor i maskinteknik: Det er batterier med ekstremt høj energitæthed. De betragtes som primære batterier, hvilket betyder, at de ikke er genopladelige. I dette tilfælde bliver aluminiumet forbrugt.
Og aluminium er ekstremt rigeligt, i modsætning til en masse andre metaller, der fremstilles til at lave batterier. Aluminium er et af de mest rigelige materialer på jorden, og det er fordelt over hele verden, så det er ikke noget, som et enkelt land ejer.
Teknisk kortfattet information: Hvor anvendes metal-luft-batterier i øjeblikket?
Et af problemerne med nødgeneratorer er, at de er længe om at komme i gang, og at de bruger dieselolie, som kan blive dårlig. Så mange hospitaler har aluminium-luft-batterier som backup-systemer; når strømmen går ned, kan de meget hurtigt komme online igen, i det mindste længe nok til, at et sekundært strømsystem kan komme online.
Phinergy , en virksomhed i Israel, fremstiller aluminium-luft-batterier til rækkeviddeforlængere på biler. Der er en plan om, at de skal indgå, så hvis du løber tør for strøm fra et batteri i et elektrisk køretøj, skal aluminium-luft-batteriet træde til og få dig igennem de ekstra kilometer, så du kan komme til en ladestation. De er dybest set et batterisystem, der kan udskiftes, alene fordi de har så meget højere energi end et lithium-ion-batteri.
Tech Briefs: Hvad er begrænsningerne ved metal-luft-batterier?
Prof. Hart: Når man først har tændt dem, kan man ikke slukke dem. Den eneste måde at stoppe reaktionen på er ved at dræne elektrolytten ud af systemet. Og når man gør det, er der hver gang en lille smule elektrolyt, som bliver på batteriets metaloverflade og ætser den. Efter et stykke tid kan du fylde elektrolytten i igen, men det vil ikke starte igen; batteriet bliver korroderet, og på overfladen stopper dette biprodukt det til. Nogle mennesker har fundet ud af, at man kan skylle det med vand, men vandet bliver forurenet med elektrolytter.
Tech Briefs: Hvorfor er det så vigtigt at mindske korrosionseffekten?
Prof. Hart: Man vil gerne kunne bruge disse batterier i noget som en bil; man vil gerne kunne parkere den i indkørslen, lade den stå der i en uge, komme tilbage og forvente, at den starter igen. Disse batterier æder langsomt sig selv op, så man mister en stor del af sin energi. Energitætheden bliver så meningsløs, fordi den æder sig selv.
Mennesker har kigget på alle mulige måder at afbøde denne korrosionsproces på. De har kigget på bedre kemier til overfladen af aluminium og legeringer. Vi opdagede en meget enkel metode: I stedet for at skylle det med vand, erstatter vi simpelthen elektrolytten med olie.
Teknik kortfattet: Hvad var reaktionen på denne idé?
Prof. Hart: Den første reaktion, alle havde, var: “Tager du pis på mig? Olien vil tilstoppe alt og ødelægge det hele”. Det viser sig, at i nærvær af elektrolytten foretrækker aluminiumet at arbejde med elektrolytten frem for med olien. Olien forurener faktisk ikke tingene. Den fortrænger blot elektrolytten, lukker reaktionen ned (fordi den ikke er ledende), og så snart elektrolytten kommer i igen, starter den op igen. Men endnu bedre er det, at vi kan skylle den med den samme olie igen og igen og aldrig forurene systemet.
Teknisk kortfattet information: Er det en nem designfunktion at indarbejde?
Prof. Hart: Membranen er faktisk en meget nem ting at sætte på plads. Den kan faktisk bygges på selve katoden, før den installeres. Det er en meget enkel ændring af den eksisterende batteriteknologi. Det er en tynd membran til beskyttelse af katoden, fordi katoden er et materiale med stor kontaktflade. Membranen giver en langvarig levetid til katodens materiale. Den gør det også muligt at bruge olier, der ikke er så stabile som andre olier.
Teknisk kortfattet information: I hvilke typer af applikationer ser du, at dette nye design bliver brugt?
Prof. Hart: Range Extenders til biler er helt sikkert et godt bud. En af grundene til, at folk er bange for at købe elbiler, er, at de er dødsensbange for at løbe tør for strøm. Og dette ville mest blive brugt som et backup-system til at overvinde frygten for ikke at have nok til at nå frem til det næste opladningssystem.
Tech Briefs: Vil de stadig blive brugt som backup strømkilder?
Prof. Hart: Lige nu har mange mennesker små generatorer i deres huse, men disse producerer kulilte, så de er meget farlige at bruge. Aluminium-luftbatterier er en langt mere sikker anordning at have stående i kælderen end en nødgenerator. Hvis strømmen går, kan man tænde den, hvis strømmen går. Hvis strømmen kommer tilbage, kan du slukke den. Og et aluminium-luftbatteri er helt sikkert godt til brug på hospitaler og i backup-strømforsyningssystemer til dataservere.
Tech Briefs: Er metal-luft-batterier nu en levedygtig mulighed sammenlignet med f.eks. lithium-ion-batterier?
Prof: Lige nu, hvis man ville lave vores transportsystem og konvertere det hele til elektriske køretøjer, har folk peget på lithium-ion-batterier; i hvert fald bruger Tesla lithium-ion-batterier. Men lithium-ion-batterier kræver lithium, som ejes af en delmængde af verdens lande. Det gør det til en politisk vanskelig situation.
Det værste er, at der simpelthen ikke er nok kobolt til at lave nok batterier til alle biler i verden. De er nødt til at finde et alternativ til kobolt. Nogle eksperter siger, at de vil være i stand til at erstatte kobolt med nikkel. Vi er nødt til at finde et alternativt batterisystem for at gøre ting som f.eks. lagersystemer levedygtige, fordi vi simpelthen ikke har nok kobolt og nikkel.
Aluminium er en fantastisk energikilde til enhver form for transportsystem. Jeg kunne godt se det blive brugt i fly og andre steder, hvor der kan bruges standardbatterier. Igen, du kan ikke genoplade disse. De er mere et brændstof end en ren energilagringsenhed.
Tech Briefs: Hvad er det næste for dit team med hensyn til denne forskning?
Prof. Hart: Jeg håber, at det bliver opfanget af en af de kommercielle batteriproducenter. Jeg mener, at det har et stort potentiale, og jeg ville elske at se det blive taget i brug. Vi har vist stort set alt, hvad vi behøver at vise med hensyn til forskning i laboratoriet, og jeg mener, at det nu skal implementeres i et rigtigt system og afprøves med henblik på kommerciel anvendelse.
Tech Briefs: Hvad har resultaterne vist? Hvor godt fungerer batteriet?
Prof. Hart: Fænomenalt. Brandon har været i stand til at vise, at man kan tænde og slukke for det i hele batteriets levetid, og der er næsten ingen nedbrydning overhovedet, i modsætning til tidligere systemer. I det væsentlige har dette arbejde givet det mulighed for at slukke som et normalt batteri, så det ikke sidder der og korroderer, mens det står i din indkørsel, om man vil.
Det betyder, at for noget som et hospital, når strømmen går, kan man virkelig tænde denne tingest, og hvis man ikke bruger al den energi, der er i batteriet, kan man slukke for batteriet og bruge det igen næste gang. Normalt kan man have en strømafbrydelse, som varer et par minutter, hvorefter strømmen kommer tilbage. Du har brugt dette meget dyre batteri op, fordi det korroderer, mens det ligger der, mens det sidder der. Nu kan du tænde og slukke for det, når du vil.