Vattenhaltigt litiumjonbatteri

Ett vattenhaltigt litiumjonbatteri är ett litiumjonbatteri (Li-ion) som använder en koncentrerad saltlösning som en elektrolyt för att underlätta överföringen av litiumjoner mellan elektroderna och inducera en elektrisk ström . Till skillnad från icke-vattenhaltiga litiumjonbatterier, är vattenhaltiga litiumjonbatterier icke brandfarliga och utgör ingen betydande explosionsrisk, på grund av den vattenbaserade naturen hos deras elektrolyt. De saknar också de giftiga kemikalier och miljörisker som är förknippade med deras icke-vattenhaltiga motsvarigheter.

Vattenhaltiga Li-ion-batterier är för närvarande kraftigt begränsade i användning på grund av deras smala elektrokemiska stabilitetsfönster (1,23 V). När den byggs med konventionella metoder har en vattenhaltig Li-ion en mycket mindre energitäthet än ett icke-vattenhaltigt Li-jonbatteri och kan bara nå en maximal spänning på 1,5 volt. Men forskare från University of Maryland (UMD) och Army Research Laboratory (ARL) gjorde det möjligt för ett vattenhaltigt Li-ion-batteri att förbli elektrokemiskt stabilt vid cirka 3,0 volt och motstå allvarliga yttre skador i en grad som inte förekommer i icke- vattenhaltiga Li-ion batterier.

Utveckling

Prototypen för det vattenhaltiga uppladdningsbara batteriet föreslogs först av Jeff Dahn 1994, som använde litiummanganoxid som positiv elektrod och bronsfas vanadindioxid som negativ elektrod. År 2014 skapade ett team av forskare under ledning av Chunsheung Wang från UMD och Kang Xu från ARL en ny klass av vattenhaltiga elektrolyter som kallas vatten-i-salt elektrolyter (WiSE), som fungerade under principen att en hög koncentration av en specifik typ av litiumsalt resulterade i bildandet av en skyddande fast-elektrolyt-interfas (SEI) mellan elektrodytorna och elektrolyten i vattenbaserade batterier. Tidigare trodde man att detta fenomen bara kunde uppstå i icke-vattenhaltiga batterier. Genom att använda detta tillvägagångssätt för att skapa SEI, löste Wang och Xu extremt höga koncentrationer av litiumbis(trifluormetansulfonyl)imid (LiTFSI) i vatten (molalitet > 20 m) för att skapa en WiSE som utökade spänningsfönstret från 1,5V till cirka 3,0V. De resulterande vattenhaltiga Li-ion-batterierna kunde också cykla upp till 1000 gånger med nästan 100 % coulombisk effektivitet .

Under 2017 utvecklade Wang och Xus forskargrupp en "inhomogen tillsats" för att belägga grafitelektroden i deras vattenhaltiga Li-ion-batteri, vilket gjorde att batteriet nådde en 4V-tröskel och fungerade upp till 70 cykler på den nivån eller högre. Beläggningen, skapad med hjälp av en extremt hydrofob och högfluorerad eter (HFE), 1,1,2,2-Tetrafluoroethyl-2',2',2'-trifluoroetyleter, drev ut vattenmolekyler från elektrodytan. Detta minimerar konkurrerande vattennedbrytning och skapar en gynnsam miljö för SEI att bilda. Denna version av batteriet visade också motståndskraft mot extrema nivåer av missbruk på grund av den långsamma reagerande karaktären hos SEI När batteriet utsattes för skärning, extern punktering, exponering för saltvatten och ballistiska tester, producerade batteriet ingen rök eller eld och fortsatte att fungera även med allvarliga yttre skador.

Ansökningar

Vattenhaltiga Li-ion-batterier har varit av stort intresse för militär användning på grund av deras säkerhet och hållbarhet. Till skillnad från högspänningen men ändå flyktiga icke-vattenhaltiga Li-ion-batterier, har vattenhaltiga Li-ion-batterier potential att fungera som en mer pålitlig energikälla på slagfältet, eftersom yttre skador på batteriet inte skulle minska prestandan eller få det att explodera. Dessutom är de mindre tunga än traditionella batterier och kan tillverkas i olika former, vilket möjliggör lättare redskap och effektivare placering.

Den lägre risken för fara som kommer med vattenhaltiga Li-ion-batterier gör dem tilltalande för industrier som tillverkar fordon som prioriterar säkerhet framför energitäthet, såsom flygplan och ubåtar.

Utmaningar

Det smala elektrokemiska stabilitetsfönstret för vattenhaltiga Li-ion-batterier har förblivit flaskhalsen för utvecklingen av högenergivattenbatterier med lång livslängd och ofelbar säkerhet. Vattenelektrolys sker utanför stabilitetsfönstret och orsakar antingen syre- eller vätgasbildning . Att hålla utspänningen låg undviker gasutveckling och främjar cykelstabilitet, men det begränsar energitätheten och användningen av starkt reducerande och starkt oxiderande elektroder. Å andra sidan sänker kontinuerlig gasutveckling av vatten under högspänningsbatteriets cykling eller tomgång den Coulombic effektiviteten (CE) och orsakar allvarliga säkerhetsproblem vid explosioner.

Vattenhaltiga Li-ion-batterier har en relativt kort battericykellivslängd, från 50 till 100 cykler. Från och med 2018 bedrivs forskning för att öka antalet cykler till 500 till 1000 cykler, vilket gör det möjligt för dem att konkurrera med andra typer av batterier som har en högre energitäthet. Dessutom skulle frågor som rör tillverkningen av den skyddande HFE-beläggningen behöva lösas innan batterierna kan skalas upp i produktion för kommersiellt bruk.