Kierrätettävät akut horisontissa: Orgaanisten elektrolyyttien korvaaminen vedellä

Vesipatterit ja paloturvallisuus

Vuosien ajan litiumioniakut ovat olleet markkinoiden hallitseva akkutyyppi sekä elektroniikassa että sähköajoneuvoissa. Tämä johtuu niiden poikkeuksellisesta energiatehosta ja yleisestä turvallisuudesta. Mutta kun ne epäonnistuvat, ne tekevät sen usein näyttävästi, erittäin voimakkaiden tulipalojen muodossa, joita on vaikea sammuttaa. Tämä on myös ongelma, kun akut ovat elinkaarensa lopussa ja ne täytyy kierrättää.

Pahimmassa tapauksessa yhden akun vika aiheuttaa tulipalon ketjureaktion viereisissä akuissa, mikä on erittäin todellinen huolenaihe suurten, hyötykäyttöön tarkoitettujen litiumioniakkuparkkien rakentamisessa. Tulipaloriskin litiumakuissa aiheuttaa pääosin palavat orgaaniset elektrolyytit, joita käytetään akun anodin ja katodin yhdistämiseen.

Australian RMITn tutkijat ovat saattaneet löytää ratkaisun korvaamalla elektrolyytit vedellä. Tiimiä johtaa professori Tianyi Ma (vasemmalla), joka työskentelee projektissa tohtori Lingfeng Zhu:n (oikealla) kanssa.

Lähde: RMIT

Niin kutsutut vesipatterit, eli vesipohjaiset metallioniakut, eivät pysty syttymään tai räjähtämään. Ne ovat myös erittäin vähän myrkyllisiä sekä ihmisille että ympäristölle.

Vesipatterien lupaukset

Vesipatterien suunnittelu perustuu yksinkertaisiin alkuaineisiin, kuten sinkkiin ja magnesiumiin, jotka ovat runsaita ja vähämyrkyllisiä, mikä vähentää valmistuskustannuksia ja tekee massatuotannosta helppoa.

Käytännössä tämä tarkoittaa, että vesipatterit voivat olla useissa muodoissa. Esimerkiksi ne voivat olla magnesiumioniakku tai ammoniiniumioni.

Professori Tianyin tiimi työskentelee näiden akkujen kaupallisen toteutettavuuden parantamiseksi ratkaisemalla ne yksityiskohdat, jotka ovat tähän asti estäneet niiden käyttöönottoa.

Yksi esimerkki on mangaanielektrodin parantaminen, kondensaattorien luominen magnesiumia ja mangaania käyttäen ja saavuttaen “128,39 Wh/kg erittäin pitkällä syklauskyvyllä, 85 % kapasiteetin säilyvyys 6000 sykliä jälkeen“

Erinomaiset elektrokemialliset ominaisuudet ja vesielektrolyytin kriittiset turvallisuusvaikutukset tekevät tästä vesipohjaisesta MIC:stä lupaavan suurten energian varastointisovellusten kannalta. Lisäksi kationi‑anioni‑kaksoisvirheiden rakennuskonseptin strategia tarjoaa olennaista näkemystä ladattavien metallioniakkujen valmistukseen.

Lähde: Energy Storage Material

Dendriittien ratkaiseminen

Toinen useimpien akkujen kohtaama ongelma on dendriittien progressiivinen kasvu akussa. Dendriitit ovat piikikkäitä metallirakenteita, jotka voivat ajan myötä muodostaa oikopolkuja (ja aiheuttaa tulipaloja litiumioniakkujen tapauksessa). Vesipatteritkin ovat alttiita dendriittiongelmalle.

Kääntämällä akun metalliosat bismuttiin muodostuu suojaava kerros, joka estää dendriittien muodostumisen.

Tämä tekee uusista akuista merkittävästi kestävämpiä kuin litiumioniakut, mikä tekee niistä sopivia intensiiviseen käyttöön, kuten hyötykäyttöön tarkoitettuihin akkupaketteihin tai jopa kaupallisiin ajoneuvoihin. Erityisesti niiden suuremman turvallisuuden vuoksi ne ovat lupaava vaihtoehto litiumioniakun korvaavien kemioiden valikoiman laajentamiseen, erityisesti hyötykäyttöön (jota tarkastelemme tarkemmin artikkelissamme “Energiavarastojen tulevaisuus – hyötykäyttöön tarkoitetut akkuteknologiat”, mukaan lukien …).

“Magnesiumioni‑vesipatterit voivat lyhyellä aikavälillä korvata lyijyakut – esimerkiksi yhden–kolmen vuoden sisällä – ja pitkällä aikavälillä mahdollisesti korvata litiumioniakut, 5–10 vuoden kuluttua …

Prof. Tianyi Ma

Ovatko vesipatterit tulevaisuuden suunta?

Hyötykäyttöön tarkoitetut akut tulevat todennäköisesti olemaan radikaalisti erilaisia kuin sähköajoneuvojen akut, koska ne eivät toimi samoissa rajoitteissa:

• Sähköajoneuvojen akkujen on oltava kevyitä ja pieniä, erittäin energiatehokkaita ja latautua nopeasti.
• Hyötykäyttöön tarkoitettujen akkujen on oltava edullisia, erittäin kestäviä, vakaita/​​turvallisia ja perustuttava runsaasti saatavilla oleviin materiaaleihin, joita voidaan hankkia suurina määriä.

Ja jopa hyötykäyttöön tarkoitettujen akkujen alalla useat kemiat todennäköisesti jakavat markkinat vuosien, ellei vuosikymmenten, ajan.

Tämä johtuu siitä, että jokaisella on omat etunsa ja käyttötapauksensa, kuten erilaiset aikataulut, energian varastointi yö/päivä -syklille tai viikkoja kerrallaan.

Ja koska kaikissa tapauksissa uusiutuvien energialähteiden laajamittainen käyttöönotto tarkoittaa akkujen laajamittaista käyttöönottoa, ja materiaalien monipuolistaminen välttää hintashokin metalleissa, jotka eivät ole harvinaisia, mutta eivät myöskään ole massiivisessa ylitarjonnassa, kuten:

• Sinkki (sinkkiakut)
• Magnesium (magnesiumioni)
• Mangaani (metallihydrogenuakut)
• Vanadiini (redox‑virtausakut)
• Antimoni (sulavat metallipatterit)
• Rikki (natrium‑rikkipatterit)

Tällä hetkellä ei ole yrityksiä, jotka työstävät magnesiumioniakkujen tuomista markkinoille. Tämä saattaa kuitenkin muuttua pian, kun otetaan huomioon erilaiset muut kemialliset yhdistelmät, jotka edistyvät kohti massatuotantoa.