Ett forskarlag vid Osaka University har rapporterat ett nytt framsteg i designen av material för användning i laddningsbara batterier, under förhållanden med hög luftfuktighet. Genom att använda inspiration från levande celler som kan blockera mindre partiklar men släppa igenom större partiklar, forskarna kunde skapa ett material med mycket rörliga kaliumjoner som lätt kan migrera som svar på elektriska fält. Detta arbete kan bidra till att göra uppladdningsbara batterier säkra och billiga nog att drastiskt minska kostnaderna för elbilar och bärbar hemelektronik.

Uppladdningsbara litiumjonbatterier används ofta i bärbara datorer, mobiltelefoner, och även el- och hybridbilar. Tyvärr, dessa batterier är dyra, och har till och med varit kända för att brinna i lågor ibland. Nya material som inte använder litium kan minska kostnaderna och förbättra säkerheten för dessa batterier, och har potential att kraftigt påskynda införandet av energieffektiva elbilar. Både natrium- och kaliumjoner är potentiella kandidater som kan användas för att ersätta litium, eftersom de är billiga och i stort utbud. Dock, natrium- och kaliumjoner är mycket större joner än litium, så de rör sig trögt genom de flesta material. Dessa positiva joner bromsas ytterligare av de starka attraktionskrafterna till de negativa laddningarna i kristallina material. "Kaliumjoner har låg rörlighet i fast tillstånd på grund av sin stora storlek, vilket är en nackdel för att bygga batterier, " förklarar motsvarande författare Takumi Konno.

För att lösa det här problemet, forskarna använde samma mekanism som dina celler använder för att låta de stora kaliumjonerna passera genom deras membran samtidigt som de höll borta mindre partiklar. Levande system uppnår denna till synes omöjliga bedrift genom att inte bara beakta jonen själva, men också de omgivande vattenmolekylerna, kallas "hydreringsskiktet, " som attraheras av jonens positiva laddning. Faktum är att ju mindre jon, desto större och tätare bundet kommer dess tillhörande hydratiseringslager att vara. Specialiserade kaliumkanaler i cellmembran har precis rätt storlek för att hydratiserade kaliumjoner ska kunna passera igenom, men blockera de stora hydreringsskikten av mindre joner.

Forskarna utvecklade en jonisk kristall med hjälp av rodium, zink, och syreatomer. Precis som med de selektiva biologiska kanalerna, rörligheten för jonerna i kristallen visade sig vara högre för de större kaliumjonerna, jämfört med de mindre litiumjonerna. Faktiskt, kaliumjonerna rörde sig så lätt, kristallen klassificerades som en "överlägsen ledare". Forskarna fann att det nuvarande materialet hade den största rörligheten för hydrerade kaliumjoner som någonsin setts hittills.

"Anmärkningsvärt nog, kristallen uppvisade en särskilt hög jonledningsförmåga på grund av den snabba migreringen av hydratiserade kaliumjoner i kristallgittret, säger huvudförfattaren Nobuto Yoshinari. och kan leda till både säkrare och billigare uppladdningsbara batterier."