Forskare vid University of Maryland (UMD) och US Army Research Lab (ARL) har tagit ett avgörande steg på vägen mot högenergibatterier genom att förbättra sitt vatten-i-salt-batteri med en ny typ av kemisk omvandling av katoden som skapar ett reversibelt fast saltlager, ett fenomen som ännu är okänt inom området för vattenbaserade batterier.

Bygger på sina tidigare upptäckter av vatten-i-salt-elektrolyter som rapporterats i Vetenskap under 2015, forskarna lade till en ny katod. Detta nya katodmaterial, saknar övergångsmetall, arbetar med en genomsnittlig potential på 4,2 volt med utmärkt cykelstabilitet, och levererar en oöverträffad energitäthet jämförbar, eller kanske högre än, icke-vattenhaltiga Li-ion-batterier. Författarna redovisar sitt arbete den 9 maj i tidskriften Natur .

"University of Maryland och ARL forskning har producerat den mest kreativa nya batterikemin jag har sett på minst 10 år, " sa prof. Jeffrey Dahn vid Dalhousie University i Kanada, en expert på området som inte är knuten till forskningen. "Dock, det återstår att se om en praktisk enhet med lång livslängd kan skapas."

Utnyttja den reversibla halogeninlagringen i grafitstrukturer, möjliggörs av en superkoncentrerad vattenhaltig elektrolyt, teamet genererade en energitäthet som man tidigare trodde var omöjlig. Forskarna fann att den superkoncentrerade lösningen av vatten-i-salt-batteriet, kombinerat med grafitanodens förmåga att automatiskt bygga upp och omforma ett skyddande lager inuti batteriet, gav ett stabilt och långvarigt batteri med hög energi.

"Denna nya katodkemi råkar fungera idealiskt i vår tidigare utvecklade "vatten-i-salt" vattenhaltiga elektrolyt, vilket gör det ännu mer unikt – det kombinerar hög energitäthet för icke-vattenhaltiga system med hög säkerhet för vattenhaltiga system, " sa en medförfattare till tidningen, Chongyin Yang, en biträdande forskare vid UMD-avdelningen för kemi- och biomolekylär teknik.

"Denna nya 'Conversion-Intercalation'-kemi ärver den höga energin av konvertering-reaktion och den utmärkta reversibiliteten från interkalering av grafit, sa Ji Chen, medförsta författare till artikeln och en forskarassistent vid avdelningen för kemisk och biomolekylär teknik.

Teamet av forskare – ledd av Chunsheng Wang, ChBE Professor med dubbel förordnande vid Institutionen för kemi och biokemi; Kang Xu, ARL Fellow; och Oleg Borodin, ARL-forskare - har avancerat batteriet till ett testbart stadium:storleken på en liten knapp, används vanligtvis som ett testmedel i forskningslabb. Mer forskning behövs för att skala upp det till en praktisk, tillverkningsbart batteri.

Energiuttaget från det vattenbaserade batteriet som rapporterats i denna studie har 25 % ökad energitäthet av ett vanligt mobiltelefonbatteri baserat på brandfarliga organiska vätskor, men är mycket säkrare. Den nya katoden kan hålla 240 milliampere per gram under en timmes drift, ungefär dubbelt så mycket som en typisk katod som för närvarande finns i mobiltelefoner och bärbara datorer.

Vatten-i-salt-batteriet kan i slutändan användas i applikationer som involverar stora energier på kilowatt- eller megawattnivåer, eller där batterisäkerhet och toxicitet är primära problem, inklusive icke brandfarliga batterier för flygplan, örlogsfartyg, eller rymdskepp.