Vi har funnit att tillsats av vatten kraftigt minskar skillnaden i spänning (överspänning) mellan laddning/urladdning. Kredit:COPYRIGHT (C) TOYOHASHI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY.
Forskargruppen vid institutionen för elektrisk och elektronisk informationsteknik, Toyohashi University of Technology har rapporterat att tillsats av vatten till en elektrolyt förbättrar funktionen av vanadinoxid, ett positivt elektrodmaterial i kalciumjonbatterier. Även om vatten i elektrolyter är känt för att ge många negativa effekter, det har nu visat sig inducera ett fenomen som påskyndar den konventionellt långsamma reaktionen hos kalciumjonbatterier. Resultaten indikerar att detta fenomen orsakas av förändringar i elektrolytstrukturen. Forskarna tror att denna upptäckt kommer att gynna utvecklingen av elektrolyter för att implementera kalciumjonbatterier i framtiden.
Sekundära batterier är värdefulla resurser som stödjer olika industrier. I dag, sekundära batterier krävs för återanvändbar energi och elfordon. Sekundära litiumjonbatterier används redan i stor utsträckning som kraftfulla sekundära batterier. Dock, de senaste åren, säkerheten för sekundära batterier har ifrågasatts, med otaliga rapporter som hänvisar till förbränning. Behovet av sekundära batterier förväntas öka exponentiellt i takt med ökningen av elfordon. Detta innebär en högre efterfrågan på litium, och i sin tur, problem som högre priser och potentiell resursutarmning.
Kalciumjonbatterier är en typ av nästa generations sekundära batterier som inte använder litium och kan uppnå en batterispänning som konkurrerar med litiumjonbatterier. Jämfört med litiumjonbatterier, kalciumjonbatterier är säkrare, billigare att producera och deras resurser är mycket rikligare. Dock, kalciumjonbatterier är fortfarande föremål för ett antal problem. Ett sådant problem är att de arbetar med en hastighet som är mycket lägre än för litiumjonbatterier.
Tillsats av vatten gör att det organiska lösningsmedlet runt kalciumjonen minskar och vattnet ökar. Vatten orsakar också en viktig strukturell förändring genom att den negativa jonen separeras från kalciumjonen. Kredit:Toyohashi University of Technology.
I den här studien, Toyohashi University rapporterade att den långsamma driftshastigheten för kalciumjonbatterier kunde förbättras genom att tillsätta vatten i elektrolyten. Graferna över testresultaten visar att överspänning som uppstår under laddning/urladdning minskar kraftigt när mängden tillsatt vatten ökar, och den reaktionen fortsätter utan problem. Forskarna bevisade att detta fenomen orsakas av det faktum att elektrolytens struktur förändras kraftigt genom tillsats av vatten.
Yoshiaki Murata, Ph.D. student och första författare till studien, säger, "Elektrolyten består av positiva joner (kalciumjoner), negativa joner och lösningsmedelsmolekyler, och tillståndet runt kalciumjonen förändras kraftigt när vatten tillsätts. Vad det betyder är att för att förbättra prestandan hos ett kalciumjonbatteri, helst är ingen negativ jon bunden till kalciumjonen i elektrolyten och en lösningsmedelsmolekyl som lätt separeras fästs till kalciumjonen. Även om vi fortfarande behöver upptäcka en elektrolyt med dessa egenskaper som inte inkluderar vatten för att uppnå kalciumjonbatterier, upptäckten av detta fenomen kommer säkerligen att hjälpa till med framtida elektrolytutveckling."
Resultatet av denna studie var faktiskt ett sekundärt resultat som erhölls när man studerade nya elektrolyter. Elektrolyter måste vara tillräckligt uttorkade när de utvecklas, men den här uttorkningsprocessen är svår. Den föreliggande studien utfördes på grund av att egenskaperna hos ett batteri förbättras under testning av en otillräckligt dehydrerad elektrolyt. Även om det finns rapporter om ett fenomen där prestandan hos ett magnesiumjonbatteri förbättras på grund av tillsats av vatten, mekanismen bakom detta var inte klart känd. Det var förvånande att samma fenomen kunde ses i kalciumjonbatterier, och vi tror att belysande av mekanismen bakom detta beteende skulle visa sig vara användbart för den framtida utvecklingen av elektrolyter.
Vårt forskarteam vill utveckla och utvärdera nya elektrolyter baserat på denna nyupptäckta elektrolytstruktur som förbättrar prestandan hos kalciumjonbatterier. Ytterligare, vi har inte varit ensamma om att studera detta; det har skett en snabb ökning av antalet studier på kalciumjonbatterier de senaste åren. I sista hand, vi skulle vilja utveckla ett kalciumjonbatteri som har förmågan att konkurrera med eller gå om litiumjonbatterier.
