Som de litiumjonbatterier som driver de flesta telefoner, bärbara datorer, och elfordon blir allt snabbare och mer högpresterande, de blir också allt dyrare och mer brandfarliga.

I forskning publicerad nyligen i Energy Storage Materials, ett team av ingenjörer vid Rensselaer Polytechnic Institute visade hur de kunde – genom att använda vattenhaltiga elektrolyter istället för de typiska organiska elektrolyterna – sätta ihop en betydligt säkrare, kostnadseffektivt batteri som fortfarande fungerar bra.

Om du skulle ta en titt inuti ett batteri, du skulle hitta två elektroder - en anod och en katod. Dessa elektroder är nedsänkta i en flytande elektrolyt som leder joner när batteriet laddas och laddas ur.

Vattenhaltiga elektrolyter har varit uppmärksammade för den rollen på grund av deras icke brandfarliga natur och för att, till skillnad från icke-vattenhaltiga elektrolyter, de är inte känsliga för fukt i tillverkningsprocessen, vilket gör dem lättare att arbeta med och billigare. Den största utmaningen med detta material har varit att upprätthålla prestanda.

"Om du lägger för mycket spänning på vatten elektrolyserar det, vilket betyder att vattnet bryts upp till väte och syre, sa Nikhil Koratkar, en begåvad professor i mekanik, flyg, och kärnteknik vid Rensselaer. "Det här är ett problem för då blir du avgasad, och elektrolyten förbrukas. Så vanligtvis, detta material har ett mycket begränsat spänningsfönster."

I denna forskning, Koratkar och hans team – som inkluderade Fudong Han, en begåvad ordförande biträdande professor i mekanisk, flyg, och kärnteknik - använde en speciell typ av vattenhaltig elektrolyt känd som en vatten-i-salt elektrolyt, som är mindre benägna att elektrolysera.

För katoden, forskarna använde litiummanganoxid, och för anoden, de använde niob volframoxid - en komplex oxid som Koratkar sa att de inte hade utforskats i ett vattenbaserat batteri tidigare.

"Det visar sig att volframoxid av niob är enastående när det gäller energi lagrad per volymenhet, " sa Koratkar. "Volumetriskt, detta var det överlägset bästa resultatet som vi har sett i ett vattenhaltigt litiumjonbatteri."

Niob volframoxid, han förklarade, är relativt tung och tät. Den vikten gör att dess energilagring baserat på massa är ungefär genomsnittligt, men den täta packningen av niobvolframoxidpartiklar i elektroden gör dess energilagring baserat på volym ganska bra. Kristallstrukturen i detta material har också väldefinierade kanaler - eller tunnlar - som tillåter litiumjoner att diffundera snabbt, vilket innebär att den kan laddas snabbt.

Kombinationen av snabbladdningskapacitet och förmågan att lagra en stor mängd laddning per volymenhet, Koratkar sa, är sällsynt i vattenbaserade batterier.

Att uppnå den typen av prestationer, med låg kostnad och förbättrad säkerhet, har praktiska konsekvenser. För nya tillämpningar som bärbar elektronik, elektriska fordon, och nätlagring, förmågan att packa den maximala mängden energi i en begränsad volym blir kritisk.