Calciumionbatterijen:de volgende grens op het gebied van energieopslag

Andrew Corselli

Prof. Yoonseob KIM (rechts), universitair hoofddocent bij de afdeling Chemische en Biologische Technologie en corresponderend auteur, en zijn Ph.D. student YIN Zhuoyu (links), eerste auteur, die een elektrochemische celvorm vasthoudt. Ze zijn afgebeeld naast een batterijcelcycler. (Afbeelding:HKUST)

Onderzoekers van de Hong Kong University of Science and Technology (HKUST) hebben een doorbraak bereikt in de calciumionbatterijtechnologie (CIB), die oplossingen voor energieopslag in het dagelijks leven zou kunnen transformeren. Door gebruik te maken van quasi-solid-state elektrolyten (QSSE's) beloven deze innovatieve CIB's de efficiëntie en duurzaamheid van energieopslag te verbeteren, wat een impact heeft op een breed scala aan toepassingen, van hernieuwbare energiesystemen tot elektrische voertuigen. De bevindingen worden gepubliceerd in het internationale tijdschrift Advanced Science getiteld “Hoogwaardige quasi-solid-state calcium-ionbatterijen van Redox-actieve covalente organische raamwerkelektrolyten.”

De urgentie voor duurzame oplossingen voor energieopslag wordt wereldwijd steeds belangrijker. Terwijl de wereld haar verschuiving naar groene energie versnelt, is de vraag naar efficiënte en stabiele batterijsystemen nog nooit zo urgent geweest. De huidige reguliere Li-ion-batterijen (LIB's) worden geconfronteerd met uitdagingen als gevolg van de schaarste aan hulpbronnen en een vrijwel beperkte energiedichtheid, waardoor de verkenning van alternatieven zoals CIB's essentieel is voor een duurzame toekomst.

CIB's zijn veelbelovend vanwege hun elektrochemische venster dat vergelijkbaar is met dat van LIB's en hun overvloed op aarde. Ze hebben echter problemen, vooral bij het bereiken van efficiënt kationentransport en het handhaven van stabiele fietsprestaties. Deze obstakels beperken momenteel de concurrentiekracht van CIB's ten opzichte van commercieel verkrijgbare LIB's.

Om deze uitdagingen het hoofd te bieden, heeft het onderzoeksteam onder leiding van prof. Yoonseob KIM, universitair hoofddocent, afdeling Chemische en Biologische Technologie, HKUST, covalente organische redox-raamwerken ontwikkeld die als QSSE's kunnen dienen. Deze carbonylrijke QSSE's vertoonden een opmerkelijke ionische geleidbaarheid (0,46 mS cm-1) en Ca2+-transportvermogen (>0,53) bij kamertemperatuur. Door experimentele en simulatiestudies te combineren, onthulde het team dat Ca2+ snel transporteert langs de uitgelijnde carbonylgroepen binnen de geordende COF-poriën.

Deze innovatieve aanpak leidde tot de creatie van een volledige calciumioncel met een omkeerbare specifieke capaciteit van 155,9 mAh g-1 bij 0,15 A g-1 en een capaciteitsbehoud van meer dan 74,6 procent bij 1 A g-1 na 1000 cycli, wat het potentieel van redox-COF's om de CIB-technologie vooruit te helpen aantoont.

Schema's die de synthetische processen tonen van het maken van covalente organische raamwerkgebaseerde quasi-vastestofelektrolyten en het werken met volledige cellen, gerealiseerd in dit werk. (Afbeelding:HKUST)

Hier is een exclusieve Tech Briefs interview, bewerkt voor lengte en duidelijkheid, met Kim.

Technische slips :Wat was de grootste technische uitdaging waarmee u te maken kreeg tijdens de ontwikkeling van deze doorbraak in de CIB-technologie?

Kim :De grootste uitdaging was de inherent langzame beweging van calciumionen. Vergeleken met lithiumionen hebben calciumionen een grotere omvang en een sterkere lading, waardoor hun diffusie veel langzamer gaat – vooral in quasi-vaste elektrolyten, waar de geleidbaarheid meer dan tien keer lager kan zijn dan die van lithium. Het overwinnen van deze aanzienlijke daling van de geleidbaarheid was van cruciaal belang om calciumionbatterijen levensvatbaar te maken.

Om dit aan te pakken, hebben we het gebruik van zeer kristallijne poreuze materialen onderzocht om verticaal uitgelijnde ionentransportroutes te construeren. Door deze structuren te ontwerpen, wilden we continue kanalen creëren die de ionenbeweging vergemakkelijken. Daarnaast hebben we strategisch geplaatste actieve locaties langs deze routes geïntroduceerd om efficiënt calciumionentransport te bevorderen en te ondersteunen. Deze aanpak was niet alleen innovatief, maar ook uitzonderlijk uitdagend om te implementeren, omdat het nauwkeurige controle vereiste over de materiaalarchitectuur en oppervlaktechemie op nanoschaal.

Technische slips :Kunt u in eenvoudige bewoordingen uitleggen hoe het werkt?

Kim :Stel je een traditionele batterij voor als twee containers die met elkaar verbonden zijn door een brug. Ionen – geladen dragers – moeten die brug oversteken om elektriciteit op te wekken. Bij calciumbatterijen is de uitdaging dat calciumionen groter en ‘plakkeriger’ zijn dan de lithiumionen die tegenwoordig in de meeste batterijen worden gebruikt. Ze hebben de neiging om onderweg te vertragen of vast te lopen, vooral in onze quasi-vaste elektrolyt, die meer op een vaste stof dan op een vloeistof lijkt.

Daarom hebben we een speciaal snelwegsysteem in onze batterij gebouwd. Met behulp van poreuze materialen hebben we duidelijke banen gecreëerd die de calciumionen in de goede richting leiden. We hebben onderweg ook 'tankstations' toegevoegd:plekken die de ionen een kleine boost geven om ze in beweging te houden. Dit ontwerp helpt de grote calciumionen efficiënt te reizen, zodat de batterij energie effectief kan opslaan en leveren met overvloedig calcium in plaats van schaars lithium.

Technische slips :Heeft u vaste plannen voor verder onderzoek/werk/etc.? Zo niet, wat zijn uw volgende stappen?

Kim :Ja, we hebben duidelijke volgende stappen. Ten eerste zijn we van plan de ionentransportkanalen verder te optimaliseren om een ​​nog hogere calciumionengeleiding te bereiken. Ons doel is om de geleiding van afzonderlijke calciumionen door de covalente organische raamwerken (COFs)-materialen mogelijk te maken, wat betekent dat elk kanaal ionen efficiënter transporteert, zoals een speciale expresbaan.

Ten tweede zullen we werken aan het optimaliseren van de kathode- en anodematerialen en -structuren. Uiteindelijk streven we ernaar een volledig vaste calciumionbatterij te ontwikkelen, die de energiedichtheid en veiligheid verder zou verbeteren. Dit brengt ons dichter bij een praktische, krachtige batterij die veel calcium gebruikt.

Technische slips :Is er nog iets dat je wilt toevoegen dat ik niet heb besproken?

Kim :Ik ga het hebben over de veelbelovende richting van oplaadbare batterijen, een belangrijke richting waar we enthousiast over zijn:op dit moment concentreren we ons op het bouwen van batterijen met actieve anodematerialen, maar ons uiteindelijke doel is het ontwikkelen van anodevrije batterijen.

Stel je een batterij voor waarbij je het anodemateriaal niet hoeft mee te sjouwen; het vormt zichzelf tijdens het opladen. Dit zou de energiedichtheid aanzienlijk verhogen, omdat je elk stukje materiaal efficiënt gebruikt. Het is alsof je meer bagage in dezelfde koffer stopt.

Een anodevrij ontwerp wordt beschouwd als de volgende generatie voor oplaadbare batterijen, en wij geloven dat de calciumchemie een unieke kans biedt om dat te bereiken. Het is ambitieus, maar daar werken we aan.

Technische slips :Heb je enig advies voor onderzoekers die hun ideeën willen verwezenlijken?

Kim :Hier zijn enkele suggesties:

Ten eerste:vermijd moeilijke problemen niet, maar omarm ze. Als een uitdaging moeilijk is, betekent dit dat de oplossing waardevol zal zijn. Calciumionen zijn inherent langzamer dan lithium, maar het overwinnen van deze fundamentele uitdaging maakt deze doorbraak betekenisvol.

Ten tweede:denk structureel, niet alleen chemisch. Soms ligt het antwoord niet in nieuw materiaal, maar in de manier waarop je het arrangeert. Ons poreuze kanaalontwerp kwam voort uit de vraag niet alleen 'wat', maar ook 'hoe':hoe bewegen ionen zich eigenlijk door de ruimte?

En ten slotte:blijf geduldig maar volhardend. Doorbraken gebeuren zelden van de ene op de andere dag. Ze komen voort uit kleine, stapsgewijze overwinningen, zoals het verbeteren van de geleidbaarheid met een paar procent, en dan nog een paar procent, totdat je plotseling een drempel overschrijdt.

De problemen die het oplossen waard zijn, zijn de problemen die niet gemakkelijk opgeven.