Foto av Al-air-prototyp som användes för att samla in data i studien. Kredit:Brandon J. Hopkins
Metall-luft-batterier är en av de lättaste och mest kompakta typerna av batterier som finns, men de kan ha en stor begränsning:när de inte används, de försämras snabbt, eftersom korrosion tär på deras metallelektroder. Nu, MIT-forskare har hittat ett sätt att avsevärt minska den korrosion, vilket gör det möjligt för sådana batterier att ha mycket längre hållbarhet.
Medan typiska laddningsbara litiumjonbatterier bara förlorar cirka 5 procent av sin laddning efter en månads lagring, de är för dyra, stor och tung, eller tung för många applikationer. Primära (icke uppladdningsbara) aluminium-luftbatterier är mycket billigare och mer kompakta och lätta, men de kan förlora 80 procent av sin avgift i månaden.
MIT-designen övervinner problemet med korrosion i aluminium-luftbatterier genom att införa en oljebarriär mellan aluminiumelektroden och elektrolyten - vätskan mellan de två batterielektroderna som tär på aluminiumet när batteriet är i standby. Oljan pumpas snabbt bort och ersätts med elektrolyt så snart batteriet används. Som ett resultat, energiförlusten minskar till bara 0,02 procent i månaden – mer än en tusenfaldig förbättring.
Fynden rapporteras idag i tidskriften Vetenskap av tidigare MIT-studenten Brandon J. Hopkins '18, W.M. Keck professor i energi Yang Shao-Horn, och professor i maskinteknik Douglas P. Hart.
Medan flera andra metoder har använts för att förlänga hållbarheten för metall-luft-batterier (som kan använda andra metaller som natrium, litium, magnesium, zink, eller järn), Dessa metoder kan offra prestanda, säger Hopkins. De flesta av de andra tillvägagångssätten innebär att elektrolyten ersätts med en annan, mindre frätande kemisk formulering, men dessa alternativ minskar drastiskt batterieffekten.
Andra metoder innefattar att pumpa ut den flytande elektrolyten under lagring och tillbaka in före användning. Dessa metoder möjliggör fortfarande betydande korrosion och kan täppa till VVS-system i batteripaketet. Eftersom aluminium är hydrofilt (attraherande vatten) även efter att elektrolyten har dränerats ur förpackningen, den återstående elektrolyten kommer att fästa vid aluminiumelektrodytorna. "Batterierna har komplexa strukturer, så det finns många hörn för elektrolyt att fastna i, "som resulterar i fortsatt korrosion, Hopkins förklarar.
En nyckel till det nya systemet är ett tunt membran placerat mellan batterielektroderna. När batteriet används, båda sidor av membranet är fyllda med en flytande elektrolyt, men när batteriet sätts i standbyläge, olja pumpas in på sidan närmast aluminiumelektroden, som skyddar aluminiumytan från elektrolyten på andra sidan av membranet.
Det nya batterisystemet drar också fördel av en egenskap hos aluminium som kallas "oleofobicitet under vatten" - det vill säga, när aluminium är nedsänkt i vatten, det stöter bort olja från dess yta. Som ett resultat, när batteriet återaktiveras och elektrolyten pumpas in igen, elektrolyten tränger lätt undan oljan från aluminiumytan, som återställer batteriets strömkapacitet. Ironiskt, MIT-metoden för korrosionsdämpning utnyttjar samma egenskap hos aluminium som främjar korrosion i konventionella system.
Resultatet är en aluminium-luft-prototyp med mycket längre hållbarhet än konventionella aluminium-luftbatterier. Forskarna visade att när batteriet användes upprepade gånger och sedan sattes på standby i en till två dagar, MIT-designen varade i 24 dagar, medan den konventionella designen bara varade i tre. Även när olja och ett pumpsystem ingår i uppskalade primära aluminium-luftbatteripaket, de är fortfarande fem gånger lättare och dubbelt så kompakta som uppladdningsbara litiumjonbatterier för elfordon, forskarna rapporterar.
Hart förklarar att aluminium, förutom att det är väldigt billigt, är ett av de "högsta kemiska energidensitetslagringsmaterialen vi känner till" - det vill säga, den kan lagra och leverera mer energi per pund än nästan något annat, med bara brom, som är dyra och farliga, vara jämförbar. Han säger att många experter tror att aluminium-luftbatterier kan vara den enda gångbara ersättningen för litiumjonbatterier och för bensin i bilar.
Luftbatterier av aluminium har använts som räckviddsförlängare för elfordon för att komplettera inbyggda uppladdningsbara batterier, att lägga till många extra mils körning när det inbyggda batteriet tar slut. De används också ibland som kraftkällor på avlägsna platser eller för vissa undervattensfordon. Men även om sådana batterier kan lagras under långa perioder så länge de inte används, så snart de slås på för första gången, de börjar försämras snabbt.
Sådana applikationer skulle kunna dra stor nytta av detta nya system, Hart förklarar, eftersom med de befintliga versionerna, "du kan inte riktigt stänga av den. Du kan spola den och fördröja processen, men du kan inte riktigt stänga av den." om det nya systemet användes, till exempel, som räckviddsförlängare i en bil, "du kan använda den och sedan köra in på din uppfart och parkera den i en månad, och sedan komma tillbaka och fortfarande förvänta sig att den har ett användbart batteri. ... Jag tycker verkligen att det här är en spelomvandlare när det gäller användningen av dessa batterier."
Med den längre hållbarhet som detta nya system kan erbjuda, användningen av aluminium-luftbatterier kan "sträcka utöver nuvarande nischapplikationer, " säger Hopkins. Teamet har redan ansökt om patent på processen.