Resirkulerbare batterier på horisonten: Erstatning av organiske elektrolytter med vann

Vannbatterier & brannsikkerhet

For years now, Lithium-ion batteries have been the dominant form of battery on the market, both for electronics and for EVs. This is thanks to their exceptional profile in terms of energy density, and overall safety. But when they fail, they tend to do so in a spectacular fashion, with very intense fires that are hard to put out. This is also an issue when the batteries are at the end of their life and need recycling.

I flere år har litium‑ion‑batterier vært den dominerende batteritypen på markedet, både for elektronikk og for el‑biler. Dette skyldes deres eksepsjonelle energitetthet og generelle sikkerhet. Men når de svikter, skjer det ofte på en spektakulær måte, med svært intense branner som er vanskelige å slukke. Dette er også et problem når batteriene er ved slutten av sin levetid og må resirkuleres.

Et verste scenario er når en batterifeil forårsaker en kjedereaksjon av brann på tilstøtende batterier, en svært reell bekymring ved bygging av batteriparker med litium‑ion for store kraftverk på nytte‑skala. Brannrisikoen i litiumbatterier kommer hovedsakelig fra de brennbare organiske elektrolyttene som brukes til å koble anoden og katoden i batteriet.

Forskere ved RMIT i Australia kan ha funnet en løsning ved å erstatte elektrolyttene med vann. Teamet ledes av Prof. Tianyi Ma (venstre), som jobbet med prosjektet sammen med Dr. Lingfeng Zhu (høyre).

Kilde: RMIT

De såkalte vannbatteriene, eller vannbaserte metall‑ion‑batterier, kan ikke starte en brann eller eksplodere. De har også svært lav toksisitet for både mennesker og miljøet.

Vannbatteri‑løfter

Designet av vannbatterier baserer seg på enkle elementer som sink og magnesium, som er rikelige og har lav toksisitet, noe som reduserer produksjonskostnadene og gjør dem enkle å masseprodusere.

I praksis betyr dette at vannbatterier kan komme i flere former. For eksempel i form av en magnesium‑ion‑batteri eller ammoniakk‑ion‑batteri.

Og Prof. Tianyi sitt team jobber med å gjøre disse batteriene kommersielt levedyktige ved å løse detaljene som hittil har hindret deres adopsjon.

Et eksempel er forbedringen av en mangan‑elektrode, som lager kondensatorer ved bruk av magnesium og mangan og oppnår “128,39 Wh/kg med en ultra‑lang syklisk kapasitet, og gir 85 % kapasitetsbevaring etter 6000 sykluser“

De fremragende elektrokjemiske egenskapene, og de kritiske sikkerhetsimplikasjonene av en vannbasert elektrolytt, gjør denne vannbaserte MIC lovende for energilagringsapplikasjoner i stor skala. Videre bør strategien med dual‑defekt‑konstruksjon av kation‑anion gi essensielle innsikter i fremstilling av oppladbare metall‑ion‑baserte batterier.

Kilde: Energy Storage Material

Løse dendritter

Et annet problem de fleste batterier opplever er den progressive veksten av dendritter i batteriet. Dendritter er piggete metallstrukturer som over tid kan lage kortslutninger (og brann i tilfelle litium‑ion). Vannbatterier er også utsatt for dendritt‑problemet.

Ved å belegge metalldelene i batteriet med bismut, dannes et beskyttende lag som hindrer dannelsen av dendritter.

Dette gjør de nye batteriene betydelig mer holdbare enn litium‑ion‑batterier, og egner dem for intensiv bruk som batteripakker i stor skala, eller kanskje til og med kommersielle kjøretøy. Særlig fordi de er mye tryggere, er de dermed en god kandidat for å utvide utvalget av alternative kjemier til litium‑ion, spesielt for nytte‑skala (noe vi utforsket nærmere i artikkelen vår «Fremtiden for energilagring – Batteriteknologi i nytte‑skala», inkludert hvilke selskaper som arbeider med å kommersialisere dem).

“Magnesium‑ion‑vannbatterier har potensial til å erstatte bly‑syrebatterier på kort sikt – omtrent ett til tre år – og potensielt erstatte litium‑ion‑batterier på lang sikt, 5 til 10 år fra nå.”

Prof. Tianyi Ma

Er vannbatterier veien videre?

Utility-scale batteries will likely be radically different from EV batteries, as the two do not operate under the same constraints:

• EV batteries must be light and small, very energy-dense, and charge quickly.
• Utility-scale batteries must be cheap, very durable, stable/safe, and rely on abundant materials that can be sourced in massive amounts.

And even in the field of utility-scale batteries, several chemistries will likely share the market for years, if not decades.

Batterier i nytte‑skala vil sannsynligvis være radikalt forskjellige fra el‑bilbatterier, ettersom de to ikke opererer under de samme begrensningene:

• El‑bilbatterier må være lette og små, svært energitetthetsrike, og lade raskt.
• Batterier i nytte‑skala må være billige, svært holdbare, stabile/sikre, og basere seg på rikelige materialer som kan skaffes i enorme mengder.

Og selv innenfor feltet batterier i nytte‑skala vil flere kjemier sannsynligvis dele markedet i flere år, om ikke tiår.

Dette skyldes at hver vil ha sine egne fordeler og bruksområder, som ulike tidsrammer, lagring av energi for natt‑/dags‑syklusen eller i flere uker av gangen.

Og fordi i alle tilfeller betyr masseadopsjon av fornybar energi masseadopsjon av batterier, og diversifisering av materialer vil unngå prisstøt på metaller som ikke er sjeldne, men heller ikke i massiv overforsyning, som:

• Sink (sinkbatterier)
• Magnesium (magnesium‑ion)
• Mangan (metall‑hydrogen‑batterier)
• Vanadium (redoks‑flyt‑batterier)
• Antimon (smeltede metall‑batterier)
• Svovel (natrium‑svovel‑batterier)

Det finnes for øyeblikket ingen selskaper som jobber med å bringe magnesium‑ion‑batterier til markedet. Men dette kan endre seg snart, med tanke på de ulike andre kjemikombinasjonene som er i ferd med å gå mot masseproduksjon.