Forskare har byggt en mer effektiv, mer tillförlitligt kalium-syre batteri, ett steg mot en potentiell lösning för energilagring på landets elnät och längre batterier i mobiltelefoner och bärbara datorer.

I en studie som publicerades i fredagen i tidningen Batterier och Supercaps , forskare från Ohio State University detaljerade sina fynd centrerade kring konstruktionen av batteriets katod, som lagrar energin som produceras av en kemisk reaktion i ett metall-syre eller metall-luftbatteri. Fyndet, säger forskarna, kan göra förnybara energikällor som sol och vind mer livskraftiga alternativ för elnätet genom billigare, effektivare energilagring.

"Om du vill gå till ett helt förnybart alternativ för elnätet, du behöver ekonomiska energilagringsenheter som kan lagra överskottsström och ge strömmen tillbaka när du inte har källan redo eller fungerar, "sa Vishnu-Baba Sundaresan, medförfattare till studien och professor i maskin- och rymdteknik vid Ohio State. "Teknik som denna är nyckeln, för det är billigt, det använder inga exotiska material, och det kan göras var som helst och främja den lokala ekonomin. "

Förnybara energikällor släpper inte ut koldioxid, så de bidrar inte till den globala uppvärmningen - men de ger energi bara när solen skiner eller vinden blåser. För att de ska vara tillförlitliga energikällor för en regions energinät, det måste finnas ett sätt att lagra överskottsenergi från solsken och vind.

Företag, forskare och regeringar runt om i världen arbetar med lagringslösningar, allt från litiumjonbatterier-större versioner av dem som finns i många elbilar-till gigantiska batterier i storleken på en storboxbutik tillverkad med metallvanadin.

Kalium-syre batterier har varit ett potentiellt alternativ för energilagring sedan de uppfanns 2013. Ett team av forskare från Ohio State, ledd av kemiprofessorn Yiying Wu, visade att batterierna kunde vara mer effektiva än litium-syre-batterier samtidigt som de lagrade ungefär dubbelt så mycket energi som befintliga litiumjonbatterier. Men kalium-syre-batterier har inte använts i stor utsträckning för energilagring eftersom, än så länge, de har inte kunnat ladda upp tillräckligt många gånger för att vara kostnadseffektiva.

När team försökte skapa ett kalium-syre-batteri som kan vara en livskraftig lagringslösning, de fortsatte att stöta på en vägspärr:Batteriet försämrades för varje laddning, aldrig längre än fem eller tio laddningscykler-långt ifrån tillräckligt för att göra batteriet till en kostnadseffektiv lösning för att lagra ström. Den nedbrytningen hände eftersom syre smög sig in i batteriets anod - den plats som gör att elektroner kan ladda en enhet, vare sig det är en mobiltelefon eller ett elnät. Syret fick anoden att gå sönder, så att batteriet inte längre kunde ladda.

Paul Gilmore, en doktorand i Sundaresans laboratorium, började införliva polymerer i katoden för att se om han kan skydda anoden från syre. Om han kunde hitta ett sätt att göra det, han trodde, det skulle ge kalium-syre batterier ett skott på längre liv. Det visade sig att han hade rätt:Teamet insåg att svullnad i polymeren spelade en viktig roll i dess prestanda. Nyckeln, Gilmore sa, var att hitta ett sätt att få in syre i batteriet - nödvändigt för att det ska fungera - utan att låta syre tränga in i anoden.

Denna design fungerar lite som mänskliga lungor:Luft kommer in i batteriet genom ett fibröst kolskikt, möter sedan ett andra lager som är något mindre poröst och slutligen slutar med ett tredje lager, som knappt är porös alls. Det tredje lagret, tillverkad av den ledande polymeren, tillåter kaliumjoner att resa genom katoden, men begränsar molekylärt syre från att komma till anoden. Designen innebär att batteriet kan laddas minst 125 gånger-vilket ger kalium-syre-batterier mer än 12 gånger den livslängd som de tidigare hade med lågkostnadselektrolyter.

Fyndet visar att detta är möjligt, men teamets tester har inte bevisat att batterierna kan tillverkas i den skala som krävs för lagring av elnät, Sa Sundaresan. Dock, det visar potential.

Gilmore sa att potential också kan finnas för att kalium-syre-batterier kan vara användbara i andra applikationer.

"Syrebatterier har högre energitäthet, vilket innebär att de kan förbättra utbudet av elfordon och batteritiden för bärbar elektronik, till exempel, även om andra utmaningar måste övervinnas innan kalium-syre-batterier är livskraftiga för dessa applikationer, " han sa.

Och fyndet erbjuder ett alternativ till litiumjonbatterier och andra som är beroende av kobolt, ett material som har kallats "bloddiamanten av batterier". Gruvdriften av materialet är så oroande att stora företag, inklusive TESLA, har tillkännagett sina planer på att helt ta bort batterierna.

"Det är mycket viktigt att batterier avsedda för storskaliga applikationer inte använder kobolt, "Sa Sundaresan.

Och det är också viktigt att batteriet kan tillverkas billigt. Litium-syre-batterier-en möjlig energilagringslösning som allmänt anses vara ett av de mest livskraftiga alternativen-kan vara dyrt, och många förlitar sig på knappa resurser, inklusive kobolt. Litiumjonbatterierna som driver många elbilar kostar cirka 100 dollar per kilowattimme på materialnivå.

Forskarna uppskattade att detta kalium-syre-batteri kommer att kosta cirka 44 dollar per kilowattimme.

"När det gäller batterier, en storlek passar inte alla, "Sade Sundaresan." För kalium-syre och litium-syre batterier, kostnaden har varit oöverkomlig att använda dem som backup av elnät. Men nu när vi har visat att vi kan göra ett så billigt och stabilt batteri, då får det att tävla med annan teknik för backup av elnät.

"Om du har ett litet batteri som är billigt, då kan du prata om att skala upp det. Om du har ett litet batteri som kostar $ 1, 000 en pop, då är det bara inte möjligt att skala upp det. Detta öppnar dörren för att skala upp den. "