211service.com
Wetten auf einen Durchbruch bei der Metall-Luft-Batterie
Ein Spin-off der Arizona State University sagt, dass es eine Metall-Luft-Batterie entwickeln kann, die die besten Lithium-Ionen-Batterien auf dem Markt dramatisch übertrifft, und jetzt hat es die Finanzierung, die es braucht, um dies zu beweisen.
Flüssiges Salz: Dieses Bild zeigt ionische Flüssigkeiten (die blauen Kügelchen) in einem Becher mit Mineralöl.
Das US-Energieministerium hat letzte Woche ein Forschungsstipendium in Höhe von 5,13 Millionen US-Dollar an Scottsdale, AZ, vergeben Fluidische Energie hin zur Entwicklung einer Metall-Luft-Batterie, die statt einer wässrigen Lösung auf ionischen Flüssigkeiten als Elektrolyt basiert.
Das Unternehmen zielt darauf ab, eine Metall-Luft-Ionen-Flüssigkeitsbatterie zu bauen, die eine bis zu 11-fache Energiedichte der führenden Lithium-Ionen-Technologien zu weniger als einem Drittel der Kosten aufweist. Cody Friesen , Professor für Materialwissenschaften an der Arizona State University und Gründer von Fluidic Energy, sagt, dass die Verwendung von ionischen Flüssigkeiten viele der Probleme überwindet, die Metall-Luft-Batterien in der Vergangenheit zurückgehalten haben. Ich behaupte nicht, dass wir es noch haben, aber wenn es uns gelingt, ändert es wirklich unsere Denkweise über Speicher, sagt Friesen, der als einer von ihnen ausgezeichnet wurde Technologieüberprüfung s Top-Innovatoren unter 35 im Jahr 2009.
Metall-Luft-Batterien, wie solche, die eine Zinkanode verwenden, basieren normalerweise auf wasserbasierten Elektrolyten. Sauerstoff aus der Umgebungsluft wird durch eine poröse Luftelektrode (-Kathode) angesaugt und erzeugt beim Kontakt mit dem Elektrolyten Hydroxylionen. Diese Ionen erreichen die Anode und beginnen, das Zink zu oxidieren – eine Reaktion, die durch die Freisetzung von Elektronen Strom erzeugt.
Aber wie jede wässrige Lösung kann das Wasser im Elektrolyten verdunsten, wodurch die Batterien vorzeitig ausfallen. Wasser hat auch ein relativ niedriges elektrochemisches Fenster, was bedeutet, dass es sich zu zersetzen beginnt, wenn die Zelle 1,23 Volt überschreitet. Dies waren zwei Probleme, mit denen sich Forscher der U.S. Air Force Academy vor etwa 25 Jahren beschäftigten. In den frühen 1980er Jahren experimentierten sie mit ionischen Flüssigkeiten – Salzen, die bei Raumtemperatur flüssig sind und die oft bei Temperaturen unter Null oder über dem Siedepunkt von Wasser flüssig bleiben können.
Sie sind Wunderflüssigkeiten. Sie sind bemerkenswert, sagt John Wilkes , ein Experte für ionische Flüssigkeiten, der die Chemieabteilung der Akademie leitet. Wenn Sie sich diese Flüssigkeiten in einer Flasche ansehen, sehen sie aus wie Wasser, nur dass sie viskos sind. Sie sind nicht flüchtig, sie verdampfen nicht, sie sind physikalisch stabil und sie leiten den Strom ziemlich gut.
Friesen, dessen Forschungsteam im Bundesstaat Arizona in den letzten Jahren mit verschiedenen ionischen Flüssigkeiten experimentiert hat, sagt, dass eine Metall-Luft-Batterie mit einer ionischen Flüssigkeit als Elektrolyt nicht nur deutlich länger funktioniert – weil Austrocknen kein Problem mehr ist –, sondern auch bekommt einen großen Schub in der Energiedichte. Diese Flüssigkeiten haben elektrochemische Stabilitätsfenster von bis zu fünf Volt, so dass Sie zu viel energiedichteren Metallen als Zink gehen können. Er sagt, sein Forschungsteam werde in dem DOE-finanzierten Projekt Energiedichten von mindestens 900 Wattstunden pro Kilogramm und bis zu 1.600 Wattstunden pro Kilogramm anstreben.
Das Problem bei ionischen Flüssigkeiten ist, dass sie immer noch in kleinen Mengen hergestellt werden, was sie im Vergleich zu vielen anderen Lösungsmitteln zum Auflösen von Salzen teuer macht. Aber manche Leute machen jetzt ionische Flüssigkeiten aus Dingen, die bereits bekannt sind und in großen Mengen produziert werden, wie beispielsweise Waschmittel, sagt Wilkes.
Robin Rogers , Professor für Chemie an der University of Alabama, sagt, die Herausforderung bestehe darin, ionische Massenflüssigkeiten mit den richtigen Eigenschaften zu finden, die die wirtschaftliche Gleichung für Metall-Luft-Batterien vollständig ändern können. Es ist nicht unmöglich, sagt er. Ich schaue mir ionische Flüssigkeiten an und sage: Treten Sie einen Schritt zurück, denn Sie müssen es ganz anders machen.
Friesen spielt die Kostenfrage herunter und weist darauf hin, dass die Liquids recht wirtschaftlich werden, wenn sie in großen Mengen im eigenen Haus entwickelt werden. Er achtet jedoch darauf, nicht zu viel über die ionischen Flüssigkeiten zu sagen, die sein Team entwickelt hat, und verrät nur, dass es mehrere Konkurrenten gibt, die gut zu funktionieren scheinen.
Zurückhaltend ist Friesen auch bei der anderen Schlüsselkomponente der Fluidic Energy-Forschung: einer Metallelektrodenstruktur, die das Problem der Dendritenbildung überwindet. Diese astartigen Strukturen können beispielsweise auf einer Zinkelektrode wachsen und einen Kurzschluss einer Metall-Luft-Batterie verursachen. Bei wiederaufladbaren Batterien kommt es zur Dendritenbildung, wenn die chemischen Reaktionen umgekehrt werden, wodurch die Anzahl der Ladezyklen begrenzt wird. Fluidic Energy hat ein Elektrodengerüst mit multimodaler Porosität entwickelt, d. h. es hat eine Reihe von Porengrößen bis hinunter zu 10 Nanometern. Das Gerüst umschließt das Metall, in diesem Fall Zink, und kann Dendritenbildung beim Laden vorbeugen.
Mit der Möglichkeit, Verdunstung zu beseitigen, Spannung zu erhöhen und Dendriten zu eliminieren, arbeiten wir jetzt daran, dies auf die nächste Stufe zu heben, sagt Friesen. Es geht darum, alles, was wir in den letzten vier Jahren getan haben, zu nutzen und diese Arbeit in eine Batterie zu integrieren, die wie eine Lithiumbatterie aussieht und sich anfühlt, aber eine Energiedichte weit darüber hinaus hat.
Dies würde bedeuten, dass Energiespeicherung kein limitierender Faktor für erneuerbare Energien mehr sein würde und Elektrofahrzeuge, die mit einer einzigen Ladung 400 bis 800 Meilen zurücklegen könnten, zu einem Preis, der nur wenig über Blei-Säure-Batterien liegt.