Återvinningsbara batterier på horisonten – ersätter organiska elektrolyter med vatten

Vattenbatterier & Brandsäkerhet

I flera år har litium‑jon‑batterier varit den dominerande batteritypen på marknaden, både för elektronik och för elfordon. Detta beror på deras exceptionella energitäthet och övergripande säkerhet. Men när de misslyckas gör de det ofta på ett spektakulärt sätt, med mycket intensiva bränder som är svåra att släcka. Detta är också ett problem när batterierna har nått slutet av sin livslängd och ska återvinnas.

Ett värsta‑fall‑scenario är när ett batterifel leder till en kedjereaktion av brand på intilliggande batterier, ett mycket verkligt bekymmer när man bygger batteriparker med litium‑jon för stora storskaliga system. Brandrisken i litiumbatterier kommer främst från de brandfarliga organiska elektrolyterna som används för att koppla anoden och katoden i batteriet.

Forskare vid RMIT i Australien kan ha hittat en lösning genom att ersätta elektrolyterna med vatten. Teamet leds av Prof. Tianyi Ma (vänster), som arbetade med projektet tillsammans med Dr. Lingfeng Zhu (höger).

Källa: RMIT

De så kallade vattenbatterierna, eller vattenbaserade metall‑jon‑batterier, kan inte starta en brand eller explodera. De har också mycket låg toxicitet för både människor och miljö.

Vattenbatteriers löften

Designen av vattenbatterier bygger på enkla element som zink och magnesium, vilka är rikliga och har låg toxicitet, vilket minskar tillverkningskostnaderna och gör dem lätta att massproducera.

I praktiken betyder detta att vattenbatterier kan komma i flera former. Till exempel i form av ett magnesiumjonbatteri eller ammoniumjon.

Och Prof. Tianyi‑teamet arbetar med att göra dessa batterier kommersiellt livskraftiga genom att lösa de detaljer som hittills hindrat deras antagande.

Ett exempel är förbättringen av en mangan‑elektrod, skapandet av kondensatorer med magnesium och mangan och uppnåendet av “128,39 Wh/kg med en ultralång cykellängd, vilket ger 85 % kapacitetsbehållning efter 6000 cykler“

De enastående elektrokemiska egenskaperna och de kritiska säkerhetsimplikationerna av en vattenbaserad elektrolyt gör denna vattenbaserade MIC lovande för storskaliga energilagringsapplikationer. Dessutom bör strategin med konstruktionen av dubbeldefekter för katjon‑anion ge viktiga insikter för framställning av uppladdningsbara metall‑jon‑batterier.

Källa: Energy Storage Material

Lösa dendriter

Ett annat problem som de flesta batterier upplever är den progressiva tillväxten av dendriter i batteriet. Dendriter är spetsiga metallstrukturer som med tiden kan skapa kortslutningar (och brand i fallet med litium‑jon). Vattenbatterier är också sårbara för dendriter.

Genom att belägga batteriets metalldelar med bismut skapas ett skyddande lager som hindrar bildandet av dendriter.

Detta gör de nya batterierna betydligt mer hållbara än litium‑jon‑batterier, vilket gör dem lämpliga för intensiv användning som storskaliga batteripaket, eller kanske till och med kommersiella fordon. Speciellt eftersom de är mycket säkrare, är de därmed en god kandidat för att bredda urvalet av alternativa kemier till litium‑jon, särskilt för storskalig användning (något vi utforskade vidare i vår artikel “Framtiden för energilagring – Teknik för storskaliga batterier”, inklusive vilka företag som arbetar med att producera dem i kommersiell skala).

“Magnesiumjon‑vattenbatterier har potential att ersätta bly‑syrabatterier på kort sikt – cirka ett till tre år – och eventuellt ersätta litium‑jon‑batterier på lång sikt, 5 till 10 år framåt.”

Prof. Tianyi Ma

Är vattenbatterier vägen framåt?

Storskaliga batterier kommer sannolikt att vara radikalt annorlunda än EV‑batterier, eftersom de två inte opererar under samma begränsningar:

• EV‑batterier måste vara lätta och små, mycket energitäta och laddas snabbt.
• Storskaliga batterier måste vara billiga, mycket hållbara, stabila/säkra och förlita sig på rikliga material som kan tas fram i massiva mängder.

Och även inom området för storskaliga batterier kommer flera kemier sannolikt att dela marknaden i årtionden.

Detta beror på att varje kemi har sina egna fördelar och användningsområden, som olika tidsramar, lagring av energi för natt‑/dagscykeln eller för veckor åt gången.

Och eftersom massadoption av förnybar energi innebär massadoption av batterier, kommer diversifiering av material att undvika prischocker på metaller som inte är sällsynta, men inte heller i massiv överskott, såsom:

• Zink (zinkbatterier)
• Magnesium (magnesium‑jon)
• Mangan (metall‑väte‑batterier)
• Vanadin (redox‑flödesbatterier)
• Antimon (smälta metallbatterier)
• Sulfur (natrium‑svavel‑batterier)

Det finns för närvarande inga företag som arbetar med att ta magnesium‑jon‑batterier till marknaden. Men detta kan förändras snart, med tanke på de olika andra kemikombinationerna som är på väg mot massproduktion.