Genanvendelige batterier på horisonten: Erstatning af organiske elektrolytter med vand

Vandbatterier & Brandsikkerhed

I flere år har lithium‑ion‑batterier været den dominerende batteriform på markedet, både til elektronik og el‑biler. Dette skyldes deres fremragende energitæthed og samlede sikkerhed. Men når de fejler, sker det ofte på en spektakulær måde med meget intense brande, som er svære at slukke. Det er også et problem, når batterierne er ved slutningen af deres livscyklus og skal genanvendes.

Et værste scenarie er, når en batterifejl udløser en kædereaktion af brand på tilstødende batterier, hvilket er en meget reel bekymring ved opbygning af batteriparker med lithium‑ion til store utility‑scale systemer. Brandrisikoen i lithium‑batterier skyldes primært de brandfarlige organiske elektrolytter, der bruges til at forbinde batteriets anode og katode.

Forskere ved RMIT i Australien kan have fundet en løsning ved at erstatte elektrolytterne med vand. Teamet ledes af Prof. Tianyi Ma (venstre), som arbejdede på projektet sammen med Dr. Lingfeng Zhu (højre).

Kilde: RMIT

De såkaldte vandbatterier, eller vandige metal‑ion‑batterier, kan ikke starte en brand eller eksplodere. De har også meget lav toksicitet for både mennesker og miljøet.

Vandbatteriers løfter

Designet af vandbatterier bygger på simple elementer som zink og magnesium, som er rigelige og har lav toksicitet, hvilket reducerer produktionsomkostningerne og gør dem nemme at masseproducere.

I praksis betyder dette, at vandbatterier kan forekomme i flere former. For eksempel i form af et magnesium‑ion‑batteri eller et ammoniak‑ion.

Og Prof. Tianyi’s team arbejder på at gøre disse batterier kommercielt levedygtige ved at løse de detaljer, der hidtil har hindret deres udbredelse.

Et eksempel er forbedringen af en mangan‑elektrode, der skaber kondensatorer ved brug af magnesium og mangan og opnår “128,39 Wh/kg med en ultra‑lang cyklisk kapacitet, hvilket giver 85 % kapacitetsbevarelse efter 6000 cyklusser“

De fremragende elektrokemiske egenskaber og de kritiske sikkerhedsmæssige implikationer af en vandig elektrolyt gør denne vandige MIC lovende for store energilagringsapplikationer. Desuden bør strategien med konstruktion af kation‑anion dualdefekter give væsentlige indsigter i fremstillingen af genopladelige metal‑ion‑baserede batterier.

Kilde: Energy Storage Material

Løsning af dendritter

Et andet problem, som de fleste batterier oplever, er den progressive vækst af dendritter i batteriet. Dendritter er spidse metalstrukturer, der over tid kan skabe kortslutninger (og brand i tilfældet med lithium‑ion). Vandbatterier er også sårbare over for dendritproblemet.

Ved at belægge batteriets metaldele med bismuth skabes et beskyttende lag, der forhindrer dannelsen af dendritter.

Dette gør de nye batterier betydeligt mere holdbare end lithium‑ion‑batterier, så de egner sig til intensiv brug som utility‑scale batteripakker eller måske endda kommercielle køretøjer. Især fordi de er meget sikrere, er de et godt kandidat til at udvide udvalget af alternative kemier til lithium‑ion, især for utility‑scale (noget vi udforskede yderligere i vores artikel “Fremtiden for energilagring – Utility‑Scale batteriteknologi”, inklusiv hvilke virksomheder der arbejder på at producere dem i kommerciel skala).

“Magnesium‑ion vandbatterier har potentiale til at erstatte bly‑syrebatterier på kort sigt – cirka et til tre år – og potentielt erstatte lithium‑ion‑batterier på lang sigt, 5 til 10 år frem i tiden.”

Pr Tianyi Ma

Er vandbatterier vejen frem?

Utility‑scale batterier vil sandsynligvis være radikalt forskellige fra EV‑batterier, da de to ikke opererer under de samme begrænsninger:

• EV‑batterier skal være lette og små, meget energitætte og kunne oplades hurtigt.
• Utility‑scale batterier skal være billige, meget holdbare, stabile/sikre og basere sig på rigelige materialer, der kan indkøbes i store mængder.

Og selv inden for utility‑scale batterier vil flere kemier sandsynligvis dele markedet i mange år, om ikke årtier.

Dette skyldes, at hver enkelt vil have sine egne fordele og anvendelsesområder, såsom forskellige tidsrammer, lagring af energi til nat/dag‑cyklussen eller i uger ad gangen.

Og fordi massadoption af vedvarende energi betyder massadoption af batterier, og diversificering af materialer vil undgå en prisstød på metaller, der ikke er sjældne, men heller ikke i massiv overforsyning, såsom:

• Zink (zinkbatterier)
• Magnesium (magnesium‑ion)
• Mangan (metal‑hydrogen‑batterier)
• Vanadium (redox‑flow‑batterier)
• Antimon (smeltede metalbatterier)
• Svovl (natrium‑svovl‑batterier)

Der er i øjeblikket ingen virksomheder, der arbejder på at bringe magnesium‑ion‑batterier på markedet. Men dette kan ændre sig snart, i betragtning af de forskellige andre kemikombinationer, der er på vej mod masseproduktion.