Op fluoride gebaseerde batterijen gaan 8 keer langer mee dan de batterijen die tegenwoordig worden gebruikt

• Stel je voor dat je je laptop en telefoon maar twee keer per maand oplaadt.
• Batterijen op basis van negatief geladen fluorionen kunnen dit mogelijk maken.
• Voor het eerst hebben onderzoekers een oplaadbare batterij op basis van fluoride gemaakt die goed werkt bij kamertemperatuur.

De zoektocht naar batterijen met een hoge energiedichtheid die nodig is om aan de eisen van moderne apparaten te voldoen, neemt voortdurend toe. De energiedichtheid hangt af van het aantal elektronen dat bij een reactie wordt uitgezonden, het potentiaalverschil tussen anode en kathode, het celvolume en de constante van Faraday.

Rekening houdend met al deze factoren hebben onderzoekers van het California Institute of Technology een nieuwe productiemethode ontwikkeld voor oplaadbare batterijen op basis van fluoride, een negatief geladen fluorion.

De technologie heeft het potentieel om de noodzaak om uw laptop of telefoon elke dag op te laden te elimineren. In feite zou het deze vereiste kunnen verminderen tot slechts twee keer per maand. Aangezien de energiedichtheid in fluoridebatterijen relatief hoger is dan die van lithium-ionbatterijen, kan deze tot 8 keer langer meegaan. Ze zijn echter extreem reactief, bijtend en uitdagend om mee te werken.

Onderzoekbare fluoridebatterijen

Dit is niet de eerste keer dat iemand experimenteert met fluoridebatterijen. In de jaren zeventig probeerden wetenschappers oplaadbare op fluoride gebaseerde batterijen te ontwikkelen met behulp van vaste modules. Maar aangezien solid-state batterijen hoge temperaturen nodig hebben om goed te werken, kunnen ze niet voor dagelijks gebruik worden gebruikt.

Nu hebben onderzoekers een manier bedacht om deze batterijen te laten werken bij kamertemperatuur, met behulp van vloeibare modules. Ze waren in staat om de eerste oplaadbare batterij op fluoridebasis te maken die goed werkt bij kamertemperatuur.

De batterij levert elektrische stromen door ionen tussen de kathode (positieve) en anode (negatieve) elektrode te laten drijven. In een vloeibare oplossing (gebruikt in lithiumbatterijen) drijven ionen gemakkelijker af bij kamertemperatuur.

Referentie:ScienceMag | doi:10.1126/science.aat7070 | Caltech

Terwijl lithiumbatterijen positieve ionen (kationen) gebruiken, is de in dit onderzochte onderzoek ontwikkelde fluoridebatterij negatief geladen (anionen). Het gebruik van anionen in batterijen heeft verschillende voordelen, maar ze hebben hun eigen uitdagingen.

Atomen die tussen anode en kathode reizen opladen met behulp van een vloeibare elektrolytoplossing | Tegoed: Brett Savoie/Purdue University

Om batterijen langer mee te laten gaan, moet men een groot aantal ionen verplaatsen. Positief geladen ionen (kationen) verplaatsen is vrij moeilijk, maar een soortgelijk resultaat kan worden verkregen door negatieve ionen (anionen), die relatief gemakkelijk reizen, te verplaatsen. De grootste uitdaging bij dit mechanisme is om het systeem op voldoende spanning te laten werken.

Uitkomsten

In deze studie toonden onderzoekers aan dat multivalente fluoride-omzettingsreacties hoge thermodynamische reactiepotentialen (groter dan 3 volt) en volumetrische capaciteiten (groter dan 1000 Ah/liter) hebben. Daarom bieden fluoridebatterijen theoretische energiedichtheden tot 5000 Wh/liter, ten minste 8 keer de theoretische waarden voor bestaande lithium-iontechnologieën.

Het belangrijkste onderdeel waardoor fluoridebatterijen goed werken in een vloeistof (in plaats van in een vaste stof) is een elektrolytvloeistof genaamd bis (2,2,2-trifluorethyl) ether, (kortweg BTFE). Het houdt het fluoride-ion stabiel, zodat het gemakkelijk elektronen heen en weer kan bewegen in de batterij.

Fluoride-ion (roze) omgeven door BTFE-moleculen | Tegoed:  Brett Savoie / Purdue University

Maar waarom deze oplossing werkte; welk kenmerk van BTFE was het stabiliseren van het fluoride? Om het antwoord te vinden, maakten onderzoekers gebruik van computersimulaties. Ze hebben de BTFE-oplossing gewijzigd en ontdekten dat men de stabiliteit en prestaties ervan kan verbeteren door deze aan te passen met additieven.

Lezen:Magnesium-ionbatterijen zijn efficiënter en veiliger dan lithium

De resultaten laten zien dat onderzoekers een interessante techniek hebben ontgrendeld om batterijen met een langere levensduur te ontwikkelen. Het is niet verkeerd om te zeggen dat fluoridebatterijen een comeback maken.