Forskare gör framsteg med att utveckla laddningsbara batterier baserade på kalium, ett potentiellt alternativ till litium som är billigare och mycket mer rikligt, och har även visat hur man härleder kol för batterielektroder från gamla däck.

"Med tillväxten av laddningsbara batterier för elektroniska enheter, elfordon och applikationer för elnät, Det har blivit allt större oro för hållbarhet och kostnad för litium, "sade Vilas G. Pol, docent vid Davidson School of Chemical Engineering vid Purdue University. "Under det senaste årtiondet, det har skett snabba framsteg i undersökningen av metalljonbatterier utöver litium, såsom natrium och kalium. "

På grund av dess större överflöd och lägre kostnad, kalium visar lovande för storskalig ellagring på elnätet.

"Den intermittenta energin som genereras från sol och vind kräver nya energilagringssystem för nätet, " sa Pol. "Men, den begränsade globala tillgängligheten av litiumresurser och höga extraktionskostnader hindrar tillämpningen av litiumjonbatterier för så storskalig energilagring. Detta kräver alternativa energilagringsenheter som är baserade på jordnära element."

Kalium är ungefär åtta gånger rikligare än litium och en tiondel av kostnaden, han sa.

Tre forskningsartiklar om kaliumjonbatteriets arbete publicerades denna månad, i samarbeten med U.S. Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory och National Cheng Kung University i Taiwan.

"Vi startade detta program för nästan ett år sedan, och det finns inte många grupper i världen som arbetar med kaliumjonbatterier, sa Pol.

De tre tidningarna publicerades i ACS tillämpade material och gränssnitt , Kemisk kommunikation och den Journal of the Electrochemical Society .

I en tidning, forskarna beskriver en ny design som använder kolnanofibrer som anod. Batterier har två elektroder, kallas en anod och en katod. Anoderna i de flesta av dagens litiumjonbatterier är gjorda av grafit. Litiumjoner finns i en vätska som kallas en elektrolyt, och dessa joner lagras i anoden under omladdning.

Nya rön visade att batterier med anoder gjorda av kolnanofibrer är lovande. Tidningen finns tillgänglig på DOI:10.1021/acsami.7b02476.

"Kolnanofibrerna visar stor potential som anodmaterial för kaliumjonbatterier, " sa Pol. "Vi studerade batterier för upp till 1, 900 laddnings-urladdningscykler, vilket är ganska anmärkningsvärt."

Kolnanofibrerna skapades med en process som kallas elektrospinning, där högspänning används för att dra en laddad polymerlösning mellan två elektroder, och polymerfibrerna förvandlas sedan till kolfibrer.

Batterierna visade "rimlig kapacitet" efter att ha laddats i bara sex minuter, med en kapacitet på 110 milliampere timmar per gram, en tredjedel av kapaciteten som uppnås efter 10 timmars konventionell litiumjonbatteriladdning, han sa.

"Vanligtvis, du skulle få mycket begränsad kapacitet efter bara sex minuter eftersom det inte räcker med tid för att ladda ett vanligt batteri, "Sa Pol." Men kolnanofibrer gör att batteriet kan laddas mycket snabbare eftersom jonerna bara behöver resa en mycket kort sträcka. Det typiska mobiltelefonbatteriet innehåller partiklar som är 15-20 mikrometer i diameter, vilket är ett mycket större avstånd än denna fiberliknande arkitektur, och det är därför det tar två till tre timmar att ladda din telefon."

Designen eliminerar behovet av ett "bindemedel, "eller en polymergel för att hålla grafitpulver på plats. Ett nanofibernätverk håller istället kaliumpartiklarna, ett tillvägagångssätt som kan minska batteriets vikt.

Nanofibrerna var "syrefunktionaliserade, "det betyder att syremolekyler är fästa på deras yta, reducerar ytterligare korrosion från den sura elektrolyten. De funktionaliserades också med kvävemolekyler för att öka den elektriska ledningsförmågan.

I en andra tidning, plattliknande strukturer av keramik, elektriskt ledande material som kallas MXenes användes för att skapa en ny typ av kaliumjonbatteri.

Under laddningsprocessen, joner sägs interkalera, vilket betyder att de tvingas av elektrisk ström att röra sig mellan lagren av kolanoden, bygga upp en avgift. Eftersom kalium har en större atomdiameter än litium, det är svårare för det att interkalera.

Dock, MXenes kan tillåta forskare att kringgå detta hinder. Forskarna är de första att rapportera fynd om prestandan hos plattliknande elektrodstrukturer gjorda av en MXen som kallas titankarbonitrid.

"Vanligtvis är keramik inte elektrokemiskt aktiv, men MXenes beror på att du har en tegelliknande struktur, och jonerna kan sättas in mellan dessa tegelstenar under laddning, "Sade Pol." Vi har visat att kalium laddas och laddas ut effektivt om du justerar materialets morfologi och struktur. "

Att använda kalium kan också ge billigare batterier genom att ersätta koppar med aluminium som en "strömsamlare" för anoder. Litiumjonbatterier kräver koppar för ändamålet, medan aluminium istället kan användas i kaliumjonbatterierna.

I en tredje uppsats, kol togs från avfallsdäck för att skapa kolanoder för ett kaliumjonbatteri. Däcken reducerades till en form av kol som kallas hårt kol genom en kemisk behandlingsprocess följt av en procedur som kallas pyrolys. Papperet finns tillgängligt på DOI:10.1149/2.1391706jes.

"Återvinningen av avfallsdäckgummi är av avgörande betydelse eftersom de kasserade däcken utgör allvarliga miljö- och hälsorisker för vårt samhälle, "Sa Pol." Här, vi rapporterar en ny ansökan om hårdkolmaterial som härrör från avfallsdäck som anoder i kaliumjonbatterier. "

I hårt kol, kolskikt ordnas slumpmässigt, och detta oordnade arrangemang underlättar interkalering av kaliumjoner.

"Denna studie visar hur materialteknik av kol kan ta itu med några av de problem som uppstår till följd av större kaliumjoninterkalkning, och kan ge möjliga strategier för att förbättra prestanda för dessa batterier i framtiden, " han sa.

Purdue kemiteknik doktorand Ryan A. Adams ledde mycket av forskningen. Hans forskning styrs av Vilas Pol och Arvind Varma, R. Games Slayter Distinguished Professor of Chemical Engineering. En fullständig förteckning över tidningarnas medförfattare finns i abstraktet.