Billy Hurley, Digital Editorial Manager
Metallluftbatterier är lätta, kompakta kraftkällor med hög energitäthet, men de har haft en stor begränsning: De korroderar.
En ny konstruktion från Massachusetts Institute of Technology använder olja för att minska korrosionen och förlänga hållbarheten hos metallluftbatterier för engångsbruk.
Nyckeln: Olja.
För att förhindra att metallen försämras placerade MIT-forskarna en oljebarriär mellan aluminiumelektroden och elektrolyten – den vätska som finns mellan de två batterielektroderna och som tär på aluminiumet när batteriet står på standby.
Oilan pumpas snabbt bort och ersätts med elektrolyt så fort batteriet används.
Som ett resultat av detta minskas energiförlusten till endast 0 %.02 procent per månad – en mer än tusenfaldig förbättring, enligt MIT-teamet.
Fyndet rapporterades förra veckan i tidskriften Science av den tidigare MIT-studenten Brandon J. Hopkins ’18, W.M. Keck-professorn i energi Yang Shao-Horn och professorn i maskinteknik Douglas P. Hart.
Hur fungerar ett metallluftbatteri exakt?
Ett metallluftbatteri använder någon typ av metall (t.ex. aluminium) som anod, luft som katod, tillsammans med en flytande elektrolyt.
I fallet med aluminium kombineras luftens syre med metallen för att skapa aluminiumhydroxid, vilket aktiverar elektrolysprocessen och skapar en ström.
Eftersom aluminium lockar till sig vatten, fastnar den återstående elektrolyten ofta på aluminiumelektrodens ytor, även efter det att elektrolyten tömts ut ur cellen.
”Batterierna har en komplicerad struktur, så det finns många hörn för elektrolyten att fastna i”, säger Hopkins .
De många hörnen leder till många möjligheter till korrosion.
Hopkins och hans team placerade dock en tunn membranbarriär mellan batterielektroderna; båda sidor av membranet fylls med en flytande elektrolyt när batteriet används.
När batteriet sätts på standby pumpas olja in på den sida som ligger närmast aluminiumelektroden, vilket skyddar aluminiumytan från elektrolyten på andra sidan av membranet.
Aluminium, när det sänks ner i vatten, stöter bort olja från ytan. När batteriet återaktiveras och elektrolyten pumpas tillbaka in i cellen förtränger elektrolyten lätt oljan från aluminiumytan, vilket återställer batteriets kraft.
Resultatet är en aluminium-luft-prototyp med mycket längre hållbarhet än konventionella aluminium-luft-batterier. När batteriet användes upprepade gånger och sedan ställdes på standby i en till två dagar höll MIT:s konstruktion i 24 dagar, medan den konventionella konstruktionen bara höll i tre.
Även när olja och ett pumpsystem ingår i uppskalade primära aluminium-luft-batteripaket är de fortfarande fem gånger lättare och dubbelt så kompakta som uppladdningsbara litium-jon-batteripaket för elbilar, rapporterade forskarna.
För närvarande används aluminium-luft-batterier som reservkraftkällor. Professor Hart talade med Tech Briefs om varför han tror att den nya konstruktionen en dag kommer att hitta sin väg bortom nischtillämpningar och in i elfordon.
Tech Briefs: Varför är metallluftbatterier värdefulla?
Douglas Hart, professor i maskinteknik: De är batterier med extremt hög energitäthet. De betraktas som primära batterier, vilket innebär att de inte är uppladdningsbara. I det här fallet förbrukas aluminiumet.
Och aluminium är extremt rikligt förekommande, till skillnad från många andra metaller som tillverkas för att tillverka batterier. Aluminium är ett av de mest rikliga materialen på jorden, och det är fördelat över hela världen, så det är inte något som ett land äger.
Tech Briefs: Ett av problemen med reservgeneratorer är att det tar ett tag innan de är igång och att de använder dieselbränsle, som kan bli dåligt. Många sjukhus har därför aluminium-luftbatterier som reservsystem. När strömmen går ner kan de mycket snabbt komma igång igen, åtminstone tillräckligt länge för att ett sekundärt kraftsystem ska komma igång.
Phinergy , ett företag i Israel, tillverkar aluminium-luftbatterier för räckviddsförlängare på bilar. Det finns en plan för att de ska ingå, så om du får slut på elkraft från ett batteri i ett elfordon ska aluminium-luftbatteriet träda in och ta dig igenom de extra milen för att ta dig till en laddningsstation. De är i princip ett batterisystem som kan bytas ut, bara för att de har så mycket högre energi än ett litiumjonbatteri.
Tech Briefs: Vilka är begränsningarna för metall/luft-batterier?
Prof: När man väl sätter igång dem kan man inte stänga av dem. Det enda sättet att stoppa reaktionen är att tömma elektrolyten ur systemet. Och när man gör det finns det varje gång en liten bit elektrolyt som stannar kvar på batteriets metallyta och korroderar den. Efter ett tag kan du fylla på elektrolyten igen, men det går inte att starta igen; batteriet blir korroderat, och på ytan täpps det till av denna biprodukt. Vissa människor har upptäckt att man kan spola det med vatten, men vattnet förorenas av elektrolyter.
Tech Briefs: Varför är det så viktigt att mildra korrosionseffekten?
Prof. Hart: Man skulle vilja kunna använda dessa batterier i något som en bil; man vill parkera den på uppfarten, lämna den där i en vecka, komma tillbaka och förvänta sig att den startar igen. Dessa batterier äter sakta upp sig själva, så du förlorar en stor del av din energi. Energitätheten blir då meningslös eftersom den förbrukar sig själv.
Människor har tittat på alla typer av sätt att mildra denna korrosionsprocess. Man har tittat på bättre kemikalier för ytan på aluminium och legeringar. Vi upptäckte ett mycket enkelt tillvägagångssätt: Istället för att spola med vatten kan vi helt enkelt ersätta elektrolyten med olja.
Tech Briefs: Hur reagerade man på denna idé?
Prof. Hart: Den första reaktionen som alla fick var: ”Skojar du med mig? Oljan kommer att täppa till allting och förstöra det”. Det visar sig att i närvaro av elektrolyten föredrar aluminiumet att arbeta med elektrolyten snarare än med oljan. Oljan gör faktiskt inte saker och ting smutsiga. Den tränger helt enkelt undan elektrolyten, stänger av reaktionen (eftersom den är icke-ledande), och så snart man sätter tillbaka elektrolyten startar den igen. Men ännu bättre är att vi kan spola den med samma olja om och om igen och aldrig förorena systemet.
Tech Briefs: Är det här en enkel konstruktion att ta med?
Prof. Hart: Membranet är faktiskt mycket lätt att installera. Det kan faktiskt byggas på själva katoden innan det installeras. Det är en mycket enkel modifiering av befintlig batteriteknik. Det är ett tunt membran för att skydda katoden, eftersom katoden är ett material med hög ytkontakt. Membranet ger katodmaterialet en långsiktig livslängd. Det gör det också möjligt att använda oljor som inte är lika stabila som andra oljor.
Tech Briefs: I vilka typer av tillämpningar ser du att den här nya konstruktionen kommer att användas?
Prof. Hart: Det är säkert en bra idé att förlänga räckvidden för bilar. En anledning till att folk är rädda för att köpa elbilar är att de är livrädda för att få slut på ström. Detta skulle användas främst som ett reservsystem för att komma över rädslan för att inte ha tillräckligt med bränsle för att ta sig till nästa laddningssystem.
Tech Briefs: Kommer de fortfarande att användas som reservkraftkällor?
Prof: Just nu har många människor små generatorer i sina hus, men dessa producerar kolmonoxid, så de är mycket farliga att använda. Aluminium-luftbatterier är en mycket säkrare anordning att ha i källaren än en reservgenerator. Om strömmen går kan du slå på den om du vill. Om strömmen kommer tillbaka kan du stänga av den. Och ett aluminium-luftbatteri är säkert utmärkt för sjukhusbruk och reservkraftsystem för dataservrar.
Tech Briefs: Är metallluftbatterier ett gångbart alternativ nu jämfört med till exempel litiumjonbatterier?
Prof: Om man vill göra vårt transportsystem och konvertera allt till elbilar har man just nu pekat på litiumjonbatterier, och Tesla använder sig av litiumjonbatterier. Men litiumjonbatterier kräver litium, som ägs av en delmängd av världens länder. Det gör det till en politiskt svår situation.
Det värsta är att det helt enkelt inte finns tillräckligt med kobolt för att göra tillräckligt med batterier till alla bilar i världen. De måste hitta ett alternativ till kobolt. Vissa experter säger att de kommer att kunna ersätta kobolt med nickel. Vi måste hitta ett alternativt batterisystem för att göra saker som lagringssystem genomförbara, eftersom vi helt enkelt inte har tillräckligt med kobolt och nickel.
Aluminium är en utmärkt energikälla för alla typer av transportsystem. Jag skulle kunna tänka mig att den används i flygplan och på andra ställen där vanliga batterier kan användas. Återigen kan man inte ladda dessa. De är mer av ett bränsle än en ren energilagringsenhet.
Tech Briefs: Vad är nästa steg för ditt team när det gäller denna forskning?
Prof. Hart: Jag hoppas att den tas upp av någon av de kommersiella batteritillverkarna. Jag tror att den har stor potential och jag skulle gärna se att den tas i bruk. Vi har visat ungefär allt vi behöver när det gäller forskning i laboratoriet, och jag tror att det nu måste implementeras i ett riktigt system och bevisas för kommersiell tillämpning.
Tech Briefs: Vad har resultaten visat? Hur väl fungerar batteriet?
Prof. Hart: Fenomenalt. Brandon har kunnat visa att man kan sätta på och stänga av det under hela batteriets livslängd, och det sker nästan ingen försämring alls, till skillnad från tidigare system. I huvudsak har detta arbete gett det förmågan att stänga av som ett normalt batteri, så att det inte sitter där och korroderar medan det står på din uppfart, om man så vill.
Det betyder att när det gäller något som till exempel ett sjukhus, när strömmen går, kan man verkligen sätta på den här saken, och om man inte använder all energi som finns i batteriet, kan man stänga av batteriet och använda det igen nästa gång. Normalt sett kan det hända att ett strömavbrott inträffar i några minuter och att strömmen sedan kommer tillbaka. Du har förbrukat detta mycket dyra batteri eftersom det korroderar medan det sitter där. Nu kan du sätta på och stänga av det när du vill.