En batteriprototyp har utformats med saltvatten och material som är giftfria och laddas snabbt, banar väg för nya typer av batterier.

Designprinciperna bakom den nya prototypen, som ändrar färg när den laddar, kan också tillämpas på befintliga batteritekniker för att skapa nya enheter för energilagring, biologisk avkänning, och smarta färgförändrande material.

De mest använda batterierna är för närvarande litiumjonbatterier, som har en relativt hög kapacitet (de rymmer en stor mängd laddning) men som inte laddar ur eller laddar sin energi snabbt. De innehåller också organiska elektrolyter och andra material som kan vara farliga och brandfarliga, vilket innebär att de kräver noggrann hantering och bortskaffande.

Den nya batteriprototypen, utvecklat av ett team av forskare från institutionerna för fysik och kemi vid Imperial College London, använder istället tunna filmer av specialdesignad plast och enkelt saltvatten.

Även om den kan hålla mindre laddning än konventionella litiumjonbatterier, Prototypen, som är tillverkad av polymerer - långa kedjor av molekyler som utgör plast - kan laddas och urladdas på några sekunder. Som en extra fördel med det material den använder, det ändrar också färg när den laddar, vilket ger användarna ett enkelt sätt att läsa av batteriets laddningstillstånd.

Prototypen, vars uppgifter publicerades i Energi- och miljövetenskap , kan bana väg för förbättrad laddningshastighet och toxicitet för befintliga batterier, eller tillhandahålla en väg för tillverkning av helt nya typer av batterier.

Utveckla återvinningsbara batterier

Medförfattare Dr Alexander Giovannitti, som arbetade på projektet vid institutionerna för fysik och kemi vid Imperial, sade:"Materialet vi använde för att skapa batteriprototypen kan eventuellt tillverkas till en låg kostnad och kombineras med användning av giftfria och icke-brandfarliga vattenbaserade elektrolyter. Detta tillvägagångssätt kan vara en livskraftig väg för att utveckla återvinningsbara batterier."

Batterier med snabbare laddningstid men lägre kapacitet kan ha en rad applikationer där energi behöver bytas snabbt men batterierna inte behöver vara små, som när energi från bilbromsning används några ögonblick senare för att accelerera fordonet.

I större skala, när förnybar teknik som sol eller vind används som en del av ett nationellt eller lokalt nät, de kan bara ge energi med jämna mellanrum. Ett batterisystem som snabbt kan lagra denna energi, men ge det också tillbaka till nätet när det behövs, skulle vara värdefullt för att hålla utbudet stabilt.

Teamet säger att deras prototyp skulle behöva mer arbete för att passa dessa områden, men att principerna bakom dess design kan vara tillämpliga på ett brett utbud av energilagringsenheter under utveckling.

Designa nya material

Polymermaterial har framgångsrikt använts i batterier tidigare, som tillsatser för att ge flexibilitet eller som elektrolyter som separerar positiva och negativa elektroder, men deras användning som aktiva material i batterielektroder som arbetar i vatten har visat sig vara utmanande.

Genombrottet kommer från designen av polymermaterial som kan ta upp och släppa positiva eller negativa joner från saltvatten, snabbt och reversibelt utan att förnedra. Dessa joner lockas till elektroder med motsatt laddning när enheten laddas.

Vattenbaserade batterier är önskvärda på grund av deras giftfrihet, men det har varit svårt att få jonerna i vatten att bytas ut reversibelt med elektroderna.

Teamet kom runt detta genom att designa sidokedjor för att fästa på de ledande polymerens "ryggrad". Genom att använda polära material för sidokedjorna, de kunde skapa elektroder med hög affinitet till vatten.

Med denna princip kunde de skapa positiva och negativa elektroder som kan ta emot sina motsatta joner från vattnet - och de hade ingredienserna till ett batteri. Eftersom polymerskelettarna redan var flexibla - expanderade och krympte medan batteriet laddades och laddades ur - behövdes inga tillsatser.

Medförfattare Dr Davide Moia, som avslutade arbetet vid Institutionen för fysik vid Imperial, sade:"Att använda saltvatten blir av med toxicitet och brandfarlighet, men det har inte varit lätt att använda eftersom det kan begränsa mängden energi du kan få in och ut ur en enhet jämfört med andra organiska elektrolyter.

"Vi vill nu testa hur långt denna gräns kan skjutas. Vi har kompenserat för lägre prestanda med en säkrare kombination av material, men förbättrad prestanda kan öppna vägen till helt nya typer av livskraftiga energilagringsenheter som också är säkra och hållbara. "