I takt med att världen bygger ut allt större installationer av vind- och solenergisystem, växer behovet snabbt av ekonomiska, storskaliga reservsystem för att ge ström när solen är nere och luften är lugn. Dagens litiumjonbatterier är fortfarande för dyra för de flesta sådana applikationer, och andra alternativ som pumpad vattenkraft kräver specifik topografi som inte alltid är tillgänglig.

Nu har forskare vid MIT och på andra håll utvecklat en ny typ av batteri, helt gjord av rikliga och billiga material, som kan hjälpa till att fylla det gapet.

Den nya batteriarkitekturen, som använder aluminium och svavel som sina två elektrodmaterial, med en smält saltelektrolyt emellan, beskrivs i tidskriften Nature , i en artikel av MIT-professor Donald Sadoway, tillsammans med 15 andra vid MIT och i Kina, Kanada, Kentucky och Tennessee.

"Jag ville uppfinna något som var bättre, mycket bättre, än litiumjonbatterier för småskalig stationär lagring, och i slutändan för fordonsindustrin" förklarar Sadoway, som är John F. Elliott professor emeritus i materialkemi.

Förutom att vara dyra innehåller litiumjonbatterier en brandfarlig elektrolyt, vilket gör dem mindre än idealiska för transport. Så, Sadoway började studera det periodiska systemet och letade efter billiga metaller med mycket jord som kanske skulle kunna ersätta litium. Den kommersiellt dominerande metallen, järn, har inte de rätta elektrokemiska egenskaperna för ett effektivt batteri, säger han. Men den näst vanligaste metallen på marknaden - och faktiskt den mest förekommande metallen på jorden - är aluminium. "Så, sa jag, ja, låt oss bara göra det till ett bokstöd. Det kommer att bli aluminium", säger han.

Sedan kom beslutet om vad man skulle para ihop aluminiumet med för den andra elektroden, och vilken typ av elektrolyt man skulle lägga emellan för att bära joner fram och tillbaka under laddning och urladdning. Den billigaste av alla icke-metaller är svavel, så det blev det andra elektrodmaterialet. När det gäller elektrolyten, "vi skulle inte använda de flyktiga, brandfarliga organiska vätskorna" som ibland har lett till farliga bränder i bilar och andra tillämpningar av litiumjonbatterier, säger Sadoway. De provade några polymerer men slutade med att titta på en mängd olika smälta salter som har relativt låga smältpunkter - nära vattnets kokpunkt, i motsats till nästan 1 000 grader Fahrenheit för många salter. "När du väl kommer ner till nära kroppstemperaturen blir det praktiskt" att tillverka batterier som inte kräver speciell isolering och korrosionsskydd, säger han.

De tre ingredienserna de slutade med är billiga och lättillgängliga - aluminium, inte annorlunda än folien i snabbköpet; svavel, som ofta är en avfallsprodukt från processer såsom petroleumraffinering; och allmänt tillgängliga salter. "Ingredienserna är billiga, och saken är säker - den kan inte brinna", säger Sadoway.

I sina experiment visade teamet att battericellerna kunde uthärda hundratals cykler vid exceptionellt höga laddningshastigheter, med en beräknad kostnad per cell på ungefär en sjättedel av den för jämförbara litiumjonceller. De visade att laddningshastigheten var starkt beroende av arbetstemperaturen, med 110 grader Celsius (230 grader Fahrenheit) som visade 25 gånger snabbare hastigheter än 25 C (77 F).

Överraskande nog visade sig det smälta saltet som teamet valde som en elektrolyt på grund av sin låga smältpunkt ha en slumpmässig fördel. Ett av de största problemen med batteritillförlitlighet är bildandet av dendriter, som är smala spikar av metall som byggs upp på en elektrod och så småningom växer över för att komma i kontakt med den andra elektroden, vilket orsakar kortslutning och hämmar effektiviteten. Men det här saltet är väldigt bra på att förhindra det felet.

Kloro-aluminatsaltet de valde "pensionerade i huvudsak dessa skenande dendriter, samtidigt som det möjliggjorde mycket snabb laddning", säger Sadoway. "Vi gjorde experiment med mycket höga laddningshastigheter, laddade på mindre än en minut, och vi förlorade aldrig celler på grund av dendritkortslutning."

"Det är roligt", säger han, för hela fokus låg på att hitta ett salt med den lägsta smältpunkten, men de katenerade kloro-aluminaten de slutade med visade sig vara resistenta mot kortslutningsproblemet. "Om vi ​​hade börjat med att försöka förhindra dendritisk kortslutning, är jag inte säker på att jag skulle ha vetat hur jag skulle göra det," säger Sadoway. "Jag antar att det var serendipity för oss."

Batteriet kräver dessutom ingen extern värmekälla för att behålla sin driftstemperatur. Värmen produceras naturligt elektrokemiskt genom laddning och urladdning av batteriet. "När du laddar genererar du värme, och det håller saltet från att frysa. Och sedan, när du släpper ut, genererar det också värme," säger Sadoway. I en typisk installation som används för belastningsutjämning i en solenergianläggning, till exempel, "skulle du lagra el när solen skiner, och sedan skulle du dra elektricitet efter mörkrets inbrott, och du skulle göra detta varje dag. Och att laddning-tomgång-urladdning-tomgång räcker för att generera tillräckligt med värme för att hålla saken vid temperatur."

Den här nya batteriformuleringen, säger han, skulle vara idealisk för installationer av ungefär den storlek som behövs för att driva ett enskilt hem eller små till medelstora företag, och producera i storleksordningen några tiotals kilowattimmars lagringskapacitet.

För större installationer, upp till nyttoskala på tiotals till hundratals megawattimmar, kan andra tekniker vara mer effektiva, inklusive de flytande metallbatterier Sadoway och hans elever utvecklade för flera år sedan och som låg till grund för ett spinoff-företag som heter Ambri, som hoppas att leverera sina första produkter inom det närmaste året. För den uppfinningen tilldelades Sadoway nyligen årets European Inventor Award.

Den mindre skalan på aluminium-svavelbatterierna skulle också göra dem praktiska för användningar som laddningsstationer för elfordon, säger Sadoway. Han påpekar att när elfordon blir så vanliga på vägarna att flera bilar vill ladda upp samtidigt, som det händer idag med bensinpumpar, "om du försöker göra det med batterier och du vill ha snabbladdning, är strömstyrkorna bara så hög att vi inte har den mängden strömstyrka i ledningen som matar anläggningen." Så att ha ett batterisystem som detta för att lagra ström och sedan släppa det snabbt vid behov kan eliminera behovet av att installera dyra nya kraftledningar för att betjäna dessa laddare.

Den nya tekniken är redan grunden för ett nytt spinoff-företag som heter Avanti, som har licensierat patenten till systemet, som grundades av Sadoway och Luis Ortiz '96 ScD '00, som också var medgrundare av Ambri. "Första uppdraget för företaget är att visa att det fungerar i stor skala", säger Sadoway och sedan utsätter det för en rad stresstester, inklusive att köra igenom hundratals laddningscykler.

Skulle ett batteri baserat på svavel riskera att producera de fula lukter som är förknippade med vissa former av svavel? Inte en chans, säger Sadoway. "Lukten av ruttna ägg finns i gasen, svavelväte. Detta är elementärt svavel, och det kommer att vara inneslutet i cellerna." Om du skulle försöka öppna upp en litiumjoncell i ditt kök, säger han (och snälla försök inte det här hemma!), "fukten i luften skulle reagera och du skulle börja generera alla möjliga fel gaser också. Det här är legitima frågor, men batteriet är förseglat, det är inte ett öppet kärl. Så jag skulle inte bry mig om det."

Forskargruppen inkluderade medlemmar från Peking University, Yunnan University och Wuhan University of Technology, i Kina; University of Louisville, i Kentucky; University of Waterloo, i Kanada; Oak Ridge National Laboratory, i Tennessee; och MIT. + Utforska vidare

Nya kemikalier hittade för flytande batterier