En slumpmässig upptäckt under forskning om batterier vid Oregon State University har stora konsekvenser för att uppfinna nya material med ett brett utbud av vetenskapliga och kommersiella tillämpningar, studiens motsvarande författare säger.

Många av vetenskapens viktigaste utmaningar spårar till gränserna för kända tillgängliga material, men ett fenomen som kallas "motjoninsättning" av OSU College of Science-forskare öppnar dörren till "ett stort antal nya fasta ämnen med värden som överskrider olika discipliner långt bortom batterikemi, " sa Xiulei (David) Ji, docent i kemi. "Detta är början på ett helt nytt område."

Till exempel, batterier designade med denna konstruktion visar en anmärkningsvärd potential för låg kostnad energilagring, sa Ji. Jämfört med litiumjonbatterier som används för att driva mobiltelefoner, bärbara datorer, medicinsk utrustning, elverktyg, fordon och mer, de är säkrare och mer miljövänliga och kan vara mer kostnadseffektiva.

Fynden publicerades precis i Kolenergi .

Forskar om jonlagringskemi i fasta ämnen - specifikt, tittar på anjoner snarare än katjoner för att lagra energi—Ji och Ph.D. eleven Heng Jiang testade manganoxiden Mn3O4 som en elektrod i ett zinkjonbatteri.

Testet med zinkjoner misslyckades men gav istället en oöverträffad kloridbatterielektrod, visar att anjonvärdande batterier fungerar bättre efter att katjoner har fångats i elektroderna.

"Vi förväntar oss att detta markerar invigningen av införande av motjoner som en generisk elektrosyntesmetod för materialdesign, "Ji sa. "Batteriladdnings- eller laddningsprocesser kan vara kraftfulla syntesverktyg, och processen där en elektrod misslyckas med att leverera önskvärda egenskaper i en typ av batteri kan vara den exakta elektrosyntesen som behövs för att skapa en utmärkt elektrod för en annan typ av batteri."

Det finns många olika typer av batterier men de fungerar alla på samma grundläggande sätt och innehåller samma grundläggande komponenter:Två elektroder - anoden, varifrån elektroner strömmar ut i en extern krets, och katoden, som tar emot elektroner från den externa kretsen - och elektrolyten, det kemiska mediet som separerar elektroderna och tillåter flödet av joner mellan dem.

De flesta batterier, Ji förklarar, lagra el via katjoner. En katjon är ett grundämne eller en molekyl som saknar en eller flera elektroner och är positivt laddad. En anjon, som även kan användas för att lagra el, är ett grundämne eller molekyl som har en eller flera extra elektroner och är negativt laddad.

"Det finns färre kända material som kan lagra anjoner reversibelt än för att lagra katjoner, " Sa Ji. "Som ett exempel för lagring av katjoner, det reversibla införandet av litiumjoner ledde till tekniken för litiumjonbatterier."

Reversibel betyder att batteriet kan laddas, som i en mobiltelefon.

Litiumjonbatterier fungerar bra eftersom katjonen som lagras är liten och lätt. För anjonlagring, de önskvärda anjonerna är halogenider - en enda halogenatom med en extra elektron. Jod, brom, klor, och fluor är halogenerna, och deras anjoner är kända som jodid, bromid, klorid och fluor.

"Klorid är relativt lätt och liten jämfört med andra typer av anjoner som har prövats, skrymmande polyatomära joner som nitrat, sulfat och hexafluorfosfat, som tenderar att gradvis förvränga elektrodstrukturerna, " sa Ji.

I den här studien, Mn3O4-katoden lagrade reversibelt klorid med stor effektivitet efter att zinkkatjoner (Zn2+) fångades i katodens kemiska struktur.

"De fångade katjonerna omvandlar Mn3O4 så att den reversibla lagringen av kloriden blir mycket mer livskraftig, " Sa Ji. "Zink och klorid är motjoner till varandra, som orsakar gynnsamma interaktioner som leder till oöverträffade egenskaper i kapacitet, driftpotential och cykellivslängd. Den anjonvärdande katoden fungerar med en zinkmetallanod i ett fullcellsbatteri med dubbla joner med en vattenhaltig elektrolyt."

Dubbeljonbatterier har både katjoner och anjoner involverade i batteriets elektrokemiska reduktionsoxidation, eller redox, reaktion.

Batterier av dubbeljonsorten som använder vattenhaltiga elektrolyter - elektrolyter som innehåller vatten - har "anmärkningsvärd potential för lågkostnadsenergilagring, " sa Ji. Jämfört med litiumjonbatterier, de är säkrare, mer miljövänligt och kan vara mer kostnadseffektivt.

"Vi demonstrerade denna patentsökta batterikemi i prototyppåsceller, som är nära kommersialisering, " sade han. "Ännu viktigare, Införande av motjoner ser ut som en metod med viktiga elektrosyntesimplikationer över hela spektrumet av materialvetenskap. Kunskapen om införande av motjoner kommer potentiellt att växa exponentiellt under de kommande tre till fem åren med många nya material som ska uppfinnas."