Utbredd användning av förnybar energi i elnätet kräver rätt typ av batteri – ett som är säkert, hållbar, kraftfull, långvarig, och gjorda av material som är rikligt och etiskt framställt.

Tack vare forskare vid Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), vi kan vara ett steg närmare att förverkliga den visionen.

I samarbete med kollegor från Argonne National Laboratory och MEET Battery Research Center vid universitetet i Münster i Tyskland, PNNL materialforskare och Linus Pauling Distinguished Postdoc Fellow, Ismael Rodríguez Pérez, formulerade en ny typ av cellkemi för dubbla jonbatterier (DIB). Den nya DIB-kemin, kallas grafit||zinkmetall vattenhaltigt dubbeljonbatteri, använder en zinkanod och en naturlig grafitkatod i en vattenhaltig-eller "vatten-i-bisalt"-elektrolyt.

Framgångsrikt användande av en grafitkatod i en vattenhaltig elektrolyt

Användningen av vattenhaltiga elektrolyter är inte ny, inte heller användningen av grafit. Faktiskt, litiumjonbatterier (Li-ion) använder grafit som anodkomponent, och icke-vattenhaltiga DIB:er använder grafit som både anod och katod. Det som är nytt är att kombinera de två i en ny kemi.

Att göra det, Rodríguez Pérez och hans team gav den vattenhaltiga elektrolyten en extra boost genom att använda en högkoncentrerad "vatten-i-bisalt"-lösning. Lösningen utvidgar elektrolytfönstret för elektrokemisk stabilitet och möjliggör grafit som katodmaterial i ett praktiskt vattenhaltigt system - något som tidigare var tänkt som omöjligt. Detta hjälper till att stabilisera elektrolyten vid höga spänningar, tillåta grafiten att elektrokemiskt oxidera före den vattenhaltiga elektrolyten.

"Det är bara en stor samling av riktigt coola saker sammansatta, " sa Rodríguez Pérez. "Koncentrationen av saltjoner är så otroligt hög, det är nästan som att vattnet inte finns där längre. Så, den vattenhaltiga elektrolyten sönderdelas inte i spänningar där den normalt skulle, tillåter användning av grafit. Det är det mest fantastiska resultatet i det här."

Rodríguez Pérez bygger på tidigare forskning utförd av Kang Xu från United States Army Research Laboratory och Chunsheng Wang från University of Maryland, som först utvecklade dessa högkoncentrerade vattenhaltiga elektrolyter 2015.

Batteriet visade lovande prestanda under testningen. Vid cirka 2,3 till 2,5 volt, det uppnådde en av de högsta driftpotentialerna för något vattenhaltigt batteri.

"Vi arbetar med högre spänningar än något annat vattenhaltigt zinkbatteri och även alla andra vattenhaltiga dubbeljonbatterier, " tillade Rodríguez Pérez.

Rodríguez Pérez och hans medarbetare beskrev den nya typen av battericellskemi i tidningen, "Möjliggör naturlig grafit i högspänningsvattenhaltiga grafit Zn metall Dual-Ion batterier, " som publicerades i höstas Avancerade energimaterial .

Säkrare och mer hållbara batterier

Men den nya cellkemin förbättrar inte bara batteriprestanda, det är också bättre för miljön.

Katoder gjorda av mycket rikligt med kolbaserade material, som naturlig grafit, är billigare och mer hållbara än miljöskadliga, knapp, och dyra metaller, som nickel och kobolt, används regelbundet i litiumjonbatterier. Att använda en vattenhaltig elektrolyt gör också DIB säkrare eftersom de är icke brandfarliga jämfört med kommersiella Li-on batterier, som uteslutande använder icke-vattenhaltiga elektrolyter.

"I batteriforskning, vi försöker uppnå flera resultat som är avgörande för marknadstillväxt och adoption, " sa Rodríguez Pérez. "Vi vill använda mer rikligt, mindre kostsamt, och mer hållbara material, medan viktigast av allt ökar batteriets livslängd och bibehåller måttlig energitäthet."

"Cellkemin hos grafit || zinkmetall med den specialdesignade vattenhaltiga elektrolyten kan uppvisa fördelar med avseende på kostnad, hållbarhet, och säkerhet jämfört med Li-ion-batterier, på grund av de använda materialen, " förklarar Tobias Placke, gruppledare för material vid MEET Battery Research Center.

I DIB, både den positiva katoden och den negativa elektroden kan tillverkas av billiga kolbaserade material som grafit. Detta gör DIBs till en särskilt lovande lösning för att stödja den utbredda användningen av förnybara energikällor, som vind och sol för elnätet.

Men tills nu, användningen av grafit som katod har begränsats av vattnets snäva elektrokemiska stabilitet, som slutar på 1,23 volt. Det elektrokemiska stabilitetsfönstret är det potentialområde mellan vilket elektrolyten varken oxideras eller reduceras (sönderdelas), och en viktig mätsticka för effektiviteten hos en elektrolyt i kontakt med en elektrod. Grafit skulle kräva ett mycket bredare stabilitetsfönster.

Och det är precis vad den här nya cellkemin gör.

Spännande potential för stationär energilagring i elnätet

DIB:s mekanik gör det till ett särskilt attraktivt alternativ för elnätet.

Generellt, varje battericell har tre huvuddelar:en positiv elektrod som kallas katod, en negativ elektrod som kallas en anod, och en elektrolyt. I litiumjonbatterier, kraft genereras när Li-jonerna (positivt laddade joner eller katjoner) flödar från katoden till anoden och tillbaka igen i en gungstolrörelse genom elektrolyten. Detta balanserar laddningen när elektroner strömmar genom en extern krets från katoden till anoden, skapa elektricitet.

I DIB, både katjoner och anjoner (negativt laddade joner) är aktiva och rör sig parallellt från elektrolyten till anoden och katoden, respektive, på ett dragspelsliknande sätt; detta möjliggör applikationer med potentiellt hög effekt, som superkondensatorer, samtidigt som du fortfarande kan använda måttligt hög energi, som batterier. Vidare, denna mekanism gör jonerna i elektrolyten aktiva, möjliggör ytterligare optimering av batteriet.

Men det finns fortfarande arbete att göra. DIB:er presterar fortfarande bara på ungefär en tredjedel av kapaciteten för Li-on-batterier – så de kan inte konkurrera, än. Li-on-batterier har fortfarande en av de högsta energitätheterna av något jämförbart system, vilket innebär att de kan ge en betydande mängd energi och fortfarande förbli små. Denna fördel är en av de främsta anledningarna till att de används i mobila applikationer, som smartphones och elbilar.

Men Rodríguez Pérez ser en lösning på det:göra DIB:s tre gånger större.

"Om vi ​​kan uppnå en tillräckligt hög spänning för batteriet, även om prestanda inte är i nivå med litiumjonbatterier, vi kan göra dubbla jonbatterier större och göra dem till en lämplig kandidat för applikationer för energilagring av nät, " sa Rodríguez Pérez. "Även om du kanske inte kan använda den för att driva din telefon, ditt lokala verktyg kan använda den för att lagra energi till ditt hem, stabilisera nätet, och öka tillförlitligheten."

En ljus framtid för dubbla jonbatterier

International Union of Pure and Applied Chemistry listade DIBs som en av "Top Ten Emerging Technologies in Chemistry 2020" för att erkänna dess potential för att lösa "stora globala problem" i framtiden.

Att fortsätta att utveckla vetenskapen bakom lagringsbatterier för nätenergi kan ge nya tillvägagångssätt och ny cellkemi och föra oss ännu närmare en utbredd användning av förnybara energikällor för elnätet.

Och det är precis vad Rodríguez Pérez och hans team på PNNL tänker göra. Nästa steg innebär att optimera den vattenhaltiga "vatten-i-bisalt"-elektrolyten - för närvarande är saltet som används i cellkemin dyrare än båda elektroderna.

"PNNL är på bottenvåningen med denna lovande teknik, ", sa Rodríguez Pérez. "Det finns så mycket utrymme för innovation i dubbla jonbatterier."