Forskare vid Oregon State University College of Engineering har utvecklat en batterianod baserad på en ny nanostrukturerad legering som kan revolutionera hur energilagringsenheter designas och tillverkas.

Den zink- och manganbaserade legeringen öppnar ytterligare för att ersätta lösningsmedel som vanligtvis används i batterielektrolyter med något mycket säkrare och billigare, samt rikligt:​​havsvatten.

Fynden publicerades i Naturkommunikation .

"Världens energibehov ökar, men utvecklingen av nästa generations elektrokemiska energilagringssystem med hög energitäthet och lång livslängd är fortfarande tekniskt utmanande, " sa Zhenxing Feng, en kemiteknikforskare vid OSU. "Vattenhaltiga batterier, som använder vattenbaserade ledande lösningar som elektrolyter, är ett framväxande och mycket säkrare alternativ till litiumjonbatterier. Men energitätheten i vattenhaltiga system har varit jämförelsevis låg, och även vattnet kommer att reagera med litium, vilket ytterligare har hindrat vattenbaserade batteriers utbredda användning."

Ett batteri lagrar kraft i form av kemisk energi och omvandlar den genom reaktioner till den elektriska energi som behövs för att driva fordon, mobiltelefoner, bärbara datorer och många andra enheter och maskiner. Ett batteri består av två terminaler - anoden och katoden, vanligtvis gjorda av olika material – såväl som en separator och elektrolyt, ett kemiskt medium som tillåter flödet av elektrisk laddning.

I ett litiumjonbatteri, som namnet antyder, en laddning transporteras via litiumjoner när de rör sig genom elektrolyten från anoden till katoden under urladdning, och tillbaka igen under laddning.

"Elektrolyter i litiumjonbatterier löses vanligtvis i organiska lösningsmedel, som är brandfarliga och ofta sönderdelas vid höga driftspänningar, " Feng sa. "Därför finns det uppenbarligen säkerhetsproblem, inklusive med litiumdendrittillväxt vid elektrod-elektrolytgränsytan; som kan orsaka kortslutning mellan elektroderna."

Dendriter liknar små träd som växer inuti ett litiumjonbatteri och kan tränga igenom separatorn som tistlar som växer genom sprickor i en uppfart; resultatet är oönskade och ibland osäkra kemiska reaktioner.

Förbränningsincidenter med litiumjonbatterier de senaste åren inkluderar en brand på ett parkerat Boeing 787-jetplan 2013, explosioner i Galaxy Note 7-smarttelefoner 2016 och Tesla Model S bränder 2019.

Vattenbaserade batterier är ett lovande alternativ för säker och skalbar energilagring, sa Feng. Vattenhaltiga elektrolyter är kostnadskonkurrenskraftiga, miljövänligt, kapabel till snabb laddning och hög effekttäthet och mycket tolerant mot felhantering.

Deras storskaliga användning, dock, har hindrats av en begränsad utspänning och låg energitäthet (batterier med högre energitäthet kan lagra större mängder energi, medan batterier med högre effekttäthet kan frigöra stora mängder energi snabbare).

Men forskare vid Oregon State, University of Central Florida och University of Houston har designat en anod som består av en tredimensionell "zink-M-legering" som batterianod - där M hänvisar till mangan och andra metaller.

"Användningen av legeringen med dess speciella nanostruktur undertrycker inte bara dendritbildningen genom att kontrollera ytreaktionens termodynamik och reaktionskinetiken, den visar också superhög stabilitet över tusentals cykler under hårda elektrokemiska förhållanden, "Feng sa. "Användningen av zink kan överföra dubbelt så många laddningar än litium, vilket förbättrar batteriets energitäthet.

"Vi testade också vårt vattenbatteri med havsvatten, istället för avjoniserat vatten med hög renhet, som elektrolyten, ", tillade han. "Vårt arbete visar den kommersiella potentialen för storskalig tillverkning av dessa batterier."

Feng och Ph.D. student Maoyu Wang använde röntgenabsorptionsspektroskopi och bildbehandling för att spåra anodens atomära och kemiska förändringar i olika operationsstadier, som bekräftade hur 3D-legeringen fungerade i batteriet.

"Våra teoretiska och experimentella studier visade att 3D-legeringsanoden har oöverträffad gränssnittsstabilitet, uppnås genom en gynnsam diffusionskanal av zink på legeringsytan, " Feng sa. "Konceptet som demonstreras i detta samarbetsarbete kommer sannolikt att medföra ett paradigmskifte i designen av högpresterande legeringsanoder för vattenhaltiga och icke-vattenhaltiga batterier, revolutionerar batteriindustrin."