Een nieuw concept voor goedkope batterijen

Een aluminium-zwavelbatterij, gemaakt van goedkope, overvloedig aanwezige materialen, kan goedkope back-upopslag bieden voor hernieuwbare energiebronnen.

De nieuwe batterijarchitectuur, die aluminium en zwavel als zijn twee elektrodematerialen gebruikt, met een gesmolten zoutelektrolyt ertussen, wordt beschreven in het tijdschrift Nature, in een paper van MIT-professor Donald Sadoway, en 15 anderen van MIT en in China, Canada , Kentucky en Tennessee.

“Ik wilde iets uitvinden dat beter, veel beter was dan lithium-ionbatterijen voor kleinschalige stationaire opslag en uiteindelijk voor auto’s [gebruik]”, zegt Sadoway. Naast dat ze duur zijn, bevatten lithium-ionbatterijen een ontvlambare elektrolyt, waardoor ze niet ideaal zijn voor transport. Dus begon Sadoway het periodiek systeem te bestuderen, op zoek naar goedkope, aardrijke metalen die lithium zouden kunnen vervangen. Het commercieel dominante metaal, ijzer, heeft niet de juiste elektrochemische eigenschappen voor een efficiënte batterij, zegt hij. Maar het op één na meest voorkomende metaal op de markt – en eigenlijk het meest voorkomende metaal op aarde – is aluminium. “Dus, zei ik, het wordt aluminium.”

Toen kwam de beslissing waarmee het aluminium moest worden gecombineerd voor de andere elektrode, en wat voor soort elektrolyt er tussen moest worden geplaatst om ionen heen en weer te transporteren tijdens het laden en ontladen. De goedkoopste van alle niet-metalen is zwavel, dus dat werd het tweede elektrodemateriaal. Wat betreft de elektrolyt: “we zouden geen vluchtige, ontvlambare organische vloeistoffen gebruiken” die soms hebben geleid tot gevaarlijke branden in auto’s en andere toepassingen van lithium-ionbatterijen. Het team probeerde een aantal polymeren, maar keek uiteindelijk naar een verscheidenheid aan gesmolten zouten met een relatief laag smeltpunt – dicht bij het kookpunt van water, in tegenstelling tot bijna 1000 graden Fahrenheit voor veel zouten. “Zodra je lichaamstemperatuur bijna bereikt is, wordt het praktisch” om batterijen te maken die geen speciale isolatie- en anticorrosiemaatregelen vereisen.”

Batterij kan niet branden

De drie ingrediënten waarmee ze eindigden zijn goedkoop en gemakkelijk verkrijgbaar: aluminium; zwavel, dat vaak een afvalproduct is van processen zoals aardolieraffinage; en algemeen verkrijgbare zouten. “De ingrediënten zijn goedkoop en het ding is veilig – het kan niet branden”, zegt Sadoway.

In hun experimenten toonde het team aan dat de batterijcellen honderden cycli konden doorstaan ​​met uitzonderlijk hoge laadsnelheden, met een verwachte kosten per cel van ongeveer een zesde van die van vergelijkbare lithium-ioncellen. Ze toonden aan dat de oplaadsnelheid sterk afhankelijk was van de werktemperatuur, waarbij 110 graden Celsius (230 graden Fahrenheit) 25 keer snellere snelheden vertoonde dan 25 C (77 F). Verrassend genoeg bleek het gesmolten zout dat het team als elektrolyt koos vanwege het lage smeltpunt een toevallig voordeel te hebben. Een van de grootste problemen bij de betrouwbaarheid van de batterij is de vorming van dendrieten, dit zijn smalle metalen pieken die zich op één elektrode ophopen en uiteindelijk naar de andere elektrode groeien, waardoor kortsluiting ontstaat en de efficiëntie wordt belemmerd. Maar dit specifieke zout is heel goed in het voorkomen van die storing.

Het chloor-aluminaatzout dat ze kozen “verwijderde deze weggelopen dendrieten in wezen, terwijl ze ook zeer snel konden opladen”, zegt Sadoway. “We hebben geëxperimenteerd met laadsnelheden van minder dan een minuut, en we hebben nooit cellen verloren door kortsluiting in dendrieten.”

Bovendien heeft de batterij geen externe warmtebron nodig om op bedrijfstemperatuur te blijven. De warmte wordt van nature elektrochemisch geproduceerd door het laden en ontladen. “Terwijl je oplaadt, genereer je warmte, en dat zorgt ervoor dat het zout niet bevriest. En dan, wanneer je ontlaadt, genereert het ook warmte”, zegt Sadoway. In een typische installatie die wordt gebruikt voor load-nivellering van een installatie voor zonne-energie, bijvoorbeeld, “zou je elektriciteit opslaan als de zon schijnt, en dan zou je elektriciteit afnemen in het donker, en je zou dit elke dag doen. En dat laden-stationair-ontladen-stationair is genoeg om genoeg warmte te genereren om het ding op temperatuur te houden.”

Geschikt voor woning en MKB

Deze nieuwe batterijformule, zegt hij, zou ideaal zijn voor installaties van ongeveer de grootte die nodig zijn om een ​​enkel huis of een klein tot middelgroot bedrijf van stroom te voorzien, met een opslagcapaciteit van enkele tientallen kilowatturen. Voor grotere installaties, tot een gebruiksschaal van tientallen tot honderden megawatturen, zouden andere technologieën effectiever kunnen zijn, waaronder de vloeibaar-metaalbatterijen die Sadoway en zijn studenten enkele jaren geleden ontwikkelden en die de basis vormden voor een spin-offbedrijf genaamd Ambri, dat hoopt volgend jaar zijn eerste producten te leveren. Voor die uitvinding kreeg Sadoway onlangs de European Inventor Award van dit jaar.

De kleinere schaal van de aluminium-zwavelbatterijen zou ze ook geschikt maken voor toepassing in laadstations voor elektrische voertuigen. Sadoway wijst erop dat als meerdere auto’s tegelijk snel willen opladen, we onvoldoende ampere hebben in de lijn die de faciliteit voedt. “Een batterijsysteem als dit, zou de noodzaak voor dure nieuwe stroomkabels elimineren.”

De nieuwe technologie is al de basis voor een nieuw spin-offbedrijf genaamd Avanti, dat de patenten op het systeem in licentie heeft gegeven, mede opgericht door Sadoway en Luis Ortiz ’96 ScD ’00, die ook mede-oprichter was van Ambri. “De eerste taak van het bedrijf is om aan te tonen dat het op schaal werkt”, zegt Sadoway, en het vervolgens te onderwerpen aan een reeks stresstests, waaronder honderden oplaadcycli.