Billy Hurley, Digital Editorial Manager
Metal-air batteries are light, compact power sources with a high energy density, but they have had a major limitation: Ze corroderen.
Een nieuw ontwerp van het Massachusetts Institute of Technology gebruikt olie om de corrosie te verminderen en de houdbaarheid van eenmalige metaal-lucht batterijen te verlengen.
De sleutel: Olie.
Om de aantasting van het metaal te voorkomen, plaatsten de MIT-onderzoekers een oliebarrière tussen de aluminiumelektrode en de elektrolyt – de vloeistof tussen de twee batterijelektroden die aan het aluminium vreet wanneer de batterij stand-by staat.
De olie wordt snel weggepompt en vervangen door elektrolyt zodra de batterij wordt gebruikt.
Als gevolg daarvan wordt het energieverlies teruggebracht tot slechts 0.02 procent per maand – meer dan een duizendvoudige verbetering, volgens het MIT-team.
De bevindingen werden vorige week gerapporteerd in het tijdschrift Science door voormalig MIT-afgestudeerd student Brandon J. Hopkins ’18, W.M. Keck hoogleraar energie Yang Shao-Horn, en hoogleraar werktuigbouwkunde Douglas P. Hart.
Hoe werkt een metaal-lucht batterij precies?
Een metaal-lucht batterij gebruikt een soort metaal (zoals aluminium) voor de anode, lucht als de kathode, samen met een vloeibaar elektrolyt.
In het geval van aluminium combineert zuurstof uit de lucht vervolgens met het metaal om aluminiumhydroxide te creëren, dat het elektrolyseproces activeert en een stroom creëert.
Omdat aluminium water aantrekt, blijft het resterende elektrolyt vaak aan de aluminium elektrodeoppervlakken kleven, zelfs nadat het elektrolyt uit de cel is afgetapt.
“De batterijen hebben complexe structuren, dus er zijn veel hoeken waar elektrolyt in terecht kan komen,” zei Hopkins .
De vele hoeken leiden tot veel mogelijkheden voor corrosie.
Hopkins en zijn team plaatsten echter een dunne membraanbarrière tussen de batterijelektroden; beide zijden van het membraan zijn gevuld met een vloeibaar elektrolyt wanneer de batterij in gebruik is.
Wanneer de batterij op stand-by wordt gezet, wordt olie gepompt in de kant die zich het dichtst bij de aluminiumelektrode bevindt, die het aluminiumoppervlak beschermt tegen het elektrolyt aan de andere kant van het membraan.
Aluminium, wanneer het in water wordt ondergedompeld, stoot olie van het oppervlak af. Wanneer de batterij opnieuw wordt geactiveerd en het elektrolyt terug in de cel wordt gepompt, verdringt het elektrolyt gemakkelijk de olie van het aluminiumoppervlak, dat de kracht van de batterij herstelt.
Het resultaat is een aluminium-lucht prototype met een veel langere houdbaarheid dan die van conventionele aluminium-lucht batterijen. Wanneer de batterij herhaaldelijk werd gebruikt en vervolgens één tot twee dagen op stand-by werd gezet, hield het MIT-ontwerp het 24 dagen uit, terwijl het conventionele ontwerp het slechts drie dagen uithield.
Zelfs wanneer olie en een pompsysteem zijn opgenomen in opgeschaalde primaire aluminium-luchtbatterijpakken, zijn ze nog steeds vijf keer lichter en twee keer zo compact als oplaadbare lithium-ionbatterijpakken voor elektrische voertuigen, meldden de onderzoekers.
Huidig worden aluminium-luchtbatterijen gebruikt als reserve-energiebronnen. Professor Hart sprak met Tech Briefs over waarom hij gelooft dat het nieuwe ontwerp op een dag zijn weg zal vinden voorbij nichetoepassingen en in elektrische voertuigen.
Tech Briefs: Waarom zijn metaal-lucht batterijen waardevol?
Douglas Hart, hoogleraar Werktuigbouwkunde: Het zijn batterijen met een extreem hoge energiedensiteit. Ze worden beschouwd als primaire batterijen, wat betekent dat ze niet oplaadbaar zijn. In dit geval wordt het aluminium verbruikt.
En aluminium is extreem overvloedig, in tegenstelling tot een heleboel andere metalen die worden gemaakt om batterijen te maken. Aluminium is een van de meest overvloedige materialen op aarde, en het is verspreid over de hele wereld, dus het is niet iets dat één land bezit.
Tech Briefs: Waar worden aluminium-luchtbatterijen momenteel gebruikt?
Eén van de problemen met back-upgeneratoren is dat het een tijdje duurt voordat ze online komen en ze gebruiken dieselbrandstof, die slecht kan gaan. Dus, veel ziekenhuizen hebben aluminium-lucht batterijen als back-up systemen; als de stroom uitvalt, kunnen ze zeer snel weer online, in ieder geval lang genoeg voor een secundair stroomsysteem om online te komen.
Phinergy , een bedrijf in Israël, maakt aluminium-lucht batterijen voor range extenders op auto’s. Er is een plan voor hen te worden opgenomen, dus als je loopt uit elektrische stroom van een batterij in een elektrisch voertuig, de aluminium-lucht-batterij moet kick in en krijg je door de extra mijlen om je naar een oplaadstation. Ze zijn in feite een batterijsysteem dat kan worden vervangen, alleen maar omdat ze zoveel meer energie hebben dan een lithium-ion batterij.
Tech Briefs: Wat zijn de beperkingen van een metaal-lucht batterijen?
Prof. Hart: Als je ze eenmaal aanzet, kun je ze niet meer uitzetten. De enige manier om de reactie te stoppen is de elektrolyt uit het systeem te laten lopen. En als je dat doet, blijft er elke keer een klein beetje elektrolyt achter op het metalen oppervlak van de batterij en tast het aan. Na een tijdje kun je de elektrolyt er weer in doen, maar hij start niet meer; de accu raakt gecorrodeerd, en aan de oppervlakte verstopt dit bijproduct de accu. Sommige mensen hebben ontdekt dat je hem met water kunt doorspoelen, maar het water raakt vervuild met elektrolyten.
Tech Briefs: Waarom is het beperken van het corrosie-effect zo belangrijk?
Prof. Hart: Je zou deze batterijen willen kunnen gebruiken in iets als een auto; je wilt ze op je oprit parkeren, ze daar een week laten staan, terugkomen en verwachten dat ze weer starten. Deze batterijen vreten zich langzaam weg, dus je verliest een hoop energie. De energiedichtheid wordt dan zinloos omdat het zichzelf opeet.
Mensen hebben gekeken naar allerlei manieren om dit corrosieproces te beperken. Ze hebben gekeken naar betere chemie voor het oppervlak van aluminium en legeringen. Wij ontdekten een zeer eenvoudige aanpak: In plaats van het te spoelen met water, vervangen we de elektrolyt met olie.
Tech Briefs: Wat was de reactie op dit idee?
Prof. Hart: De eerste reactie die iedereen had was: “Neem je me in de maling? De olie gaat alles verstoppen en vernietigen.” Het blijkt dat in de aanwezigheid van de elektrolyt, het aluminium liever met de elektrolyt werkt dan met olie. De olie vervuilt de dingen eigenlijk niet. Het verdringt eenvoudig de elektrolyt, sluit de reactie af (omdat het niet-geleidend is), en zodra u de elektrolyt terug inbrengt, begint het recht omhoog terug. Maar nog beter, we kunnen het steeds weer met dezelfde olie doorspoelen en het systeem nooit vervuilen.
Tech Briefs: Is dit een gemakkelijk ontwerpkenmerk om op te nemen?
Prof. Hart: Het membraan is eigenlijk een heel gemakkelijk ding om te plaatsen. Het kan eigenlijk op de kathode zelf worden gebouwd voordat het wordt geïnstalleerd. Het is een zeer eenvoudige wijziging van bestaande batterijtechnologie. Het is een dun membraan om de kathode te beschermen, omdat de kathode een materiaal is met een hoog oppervlaktecontact. Het membraan zorgt voor een lange levensduur van het kathodemateriaal. Het maakt ook het gebruik mogelijk van oliën die niet zo stabiel zijn als andere oliën.
Tech Briefs: In welke soorten toepassingen ziet u dit nieuwe ontwerp gebruikt worden?
Prof. Hart: Range extenders voor auto’s is zeker een goede. Een van de redenen dat mensen bang zijn om elektrische auto’s te kopen, is omdat ze doodsbang zijn dat ze zonder stroom komen te zitten. En, dit zou vooral worden gebruikt als een back-up systeem om over die angst te komen van het niet hebben van genoeg om naar het volgende oplaadsysteem te komen.
Tech Briefs: Zullen ze nog steeds worden gebruikt als back-up energiebronnen?
Prof. Hart: Op dit moment hebben veel mensen kleine generatoren in hun huis, maar deze produceren koolmonoxide, dus ze zijn erg gevaarlijk om te gebruiken. Aluminium-lucht batterijen zijn een veel veiliger apparaat om in uw kelder te hebben dan een back-up generator. Als de stroom uitvalt, kun je hem aanzetten. Als de stroom weer terugkomt, kun je hem weer uitzetten. En een aluminium-luchtbatterij is zeker geweldig voor gebruik in ziekenhuizen, en noodstroomsystemen voor dataservers.
Tech Briefs: Zijn metaal-lucht batterijen nu een haalbare optie vergeleken met, zeg, de lithium-ion batterij?
Prof. Hart: Op dit moment, als je ons transportsysteem zou willen maken en het allemaal zou willen ombouwen naar elektrische voertuigen, hebben mensen gewezen op lithium-ionbatterijen; zeker, Tesla gebruikt lithium-ionbatterijen. Maar lithium-ion batterijen vereisen lithium, dat eigendom is van een deel van de landen in de wereld. Dat maakt het een politiek moeilijke situatie.
Het ergste is dat er gewoon niet genoeg kobalt is om genoeg batterijen te maken voor alle auto’s in de wereld. Ze moeten een alternatief voor kobalt vinden. Sommige experts zeggen dat ze kobalt kunnen vervangen door nikkel. We moeten een alternatief accusysteem vinden om opslagsystemen levensvatbaar te maken, want we hebben gewoon niet genoeg kobalt en nikkel.
Aluminium is een geweldige energiebron voor elk type transportsysteem. Ik zie het gebruikt worden in vliegtuigen en andere plaatsen waar standaard batterijen worden gebruikt. Nogmaals, je kunt ze niet opladen. Ze zijn meer een brandstof dan een zuiver energieopslagapparaat.
Tech Briefs: Wat is de volgende stap voor uw team met betrekking tot dit onderzoek?
Prof. Hart: Ik hoop dat het wordt opgepikt door een van de commerciële batterijfabrikanten. Ik denk dat het een groot potentieel heeft, en ik zou graag zien dat het in gebruik wordt genomen. We hebben ongeveer alles laten zien wat we nodig hebben in termen van onderzoek in het lab, en ik denk dat het nu moet worden geïmplementeerd in een echt systeem en bewezen voor commerciële toepassing.
Tech Briefs: Wat hebben de resultaten aangetoond? Hoe goed presteert de batterij?
Prof. Hart: Fenomenaal. Brandon heeft kunnen aantonen dat je het aan en uit kunt zetten voor de volledige levensduur van de batterij, en er is bijna geen enkele degradatie, in tegenstelling tot eerdere systemen. In wezen heeft dit werk het de mogelijkheid gegeven om uit te schakelen zoals een normale batterij, zodat het daar niet blijft zitten en weg corrodeert terwijl het op je oprit staat, als je wilt.
Dat betekent, voor iets als een ziekenhuis, als de stroom uitvalt, kun je dit ding echt aanzetten, en als je niet alle energie gebruikt die in de batterij zit, kun je de batterij uitzetten en het de volgende keer weer gebruiken. Normaal gesproken heb je een stroomstoring van een paar minuten, en dan komt de stroom weer terug. U hebt deze zeer dure batterij verbruikt, want terwijl hij daar zit, corrodeert hij. Nu kunt u hem naar believen aan- en uitzetten.