Fluoride-gebaseerde Batterijen Bieden Tot 8x Langere Levensduur Dan Huidige Standaarden

• Stel u voor uw laptop en telefoon slechts twee keer per maand op te laden.
• Batterijen gebaseerd op negatief geladen ion van fluor kunnen dit mogelijk maken.
• Voor het eerst hebben onderzoekers een oplaadbare fluoride-gebaseerde batterij gemaakt die goed werkt bij kamertemperatuur.

De zoektocht naar batterijen die hoge energiedichtheid bieden nodig om de eisen van moderne apparaten te vervullen, neemt continu toe. De energiedichtheid hangt af van het aantal elektronen dat in een reactie getransmitteerd wordt, het potentieelverschil tussen anode en kathode, celvolume, en Faraday's constante.

Met al deze factoren in gedachten, hebben onderzoekers van het California Institute of Technology een nieuwe methode ontwikkeld voor het fabriceren van oplaadbare batterijen gebaseerd op fluoride – een negatief geladen ion van fluor.

De technologie heeft het potentieel om de noodzaak om uw laptop of telefoon elke dag op te laden te elimineren. Feitelijk kan het deze vereiste terugbrengen tot slechts twee keer per maand. Aangezien energiedichtheid in fluoride batterijen relatief hoger is dan lithium-ion batterijen, kan het tot 8 keer langer duren. Echter, ze zijn extreem reactief, corroderend en lastig om mee te werken.

Oplaadbare Fluoride Batterijen

Dit is niet de eerste keer dat iemand experimenteert met fluoride batterijen. In de jaren '70 probeerden wetenschappers oplaadbare fluoride-gebaseerde batterijen te ontwikkelen met vaste modules. Maar aangezien vastestofbatterijen hoge temperaturen vereisen om goed te functioneren, kunnen ze niet voor dagelijks gebruik gebruikt worden.

Nu hebben onderzoekers een manier gevonden om deze batterijen bij kamertemperatuur te laten werken, met vloeibare modules. Ze zijn in staat geweest de eerste oplaadbare fluoride-gebaseerde batterij te maken die goed werkt bij kamertemperatuur.

De batterij levert elektrische stromen door ionen te laten druipelen tussen de kathode (positief) en anode (negatief) elektrode. In een vloeibare oplossing (gebruikt in lithiumbatterijen), druipelen ionen gemakkelijker bij kamertemperatuur.

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

Terwijl lithiumbatterijen positieve ionen (kationen) gebruiken, draagt de fluoridebatterij die in dit onderzoek is ontwikkeld een negatieve lading (anionen). Er zijn diverse voordelen van het gebruik van anionen in batterijen, maar ze hebben hun eigen uitdagingen.

Laden atomen reizen tussen anode en kathode met hulp van een vloeibare elektrolytoplossing | Credit: Brett Savoie/Purdue University

Om batterijen langer te laten duren, moet men een groot aantal ionen verplaatsen. Positief geladen ionen (kationen) verplaatsen is tamelijk moeilijk, maar een vergelijkbaar resultaat kan verkregen worden door negatieve ionen (anionen) te verplaatsen, die met relatieve gemak reizen. De hoofduitdaging met dit mechanisme is om het systeem te laten werken op adequate spanning.

Resultaten

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

Het sleutelcomponent dat fluoridebatterijen goed liet functioneren in een vloeistof (in plaats van een vastestof) is een elektrolytvloeistof genaamd bis(2,2,2-trifluoroethyl)ether, (BTFE voor kort). Het houdt het fluoride-ion stabiel zodat het gemakkelijk elektronen heen en weer in de batterij kan bewegen.

Fluoride-ion (roze) omringd door moleculen van BTFE | Credit: Brett Savoie / Purdue University

Maar waarom werkte deze oplossing; wat was de karakteristiek van BTFE die het fluoride stabiliseerde? Om het antwoord te vinden, namen onderzoekers hulp van computersimulaties. Ze veranderden de BTFE-oplossing en vonden dat men de stabiliteit en prestaties kan verbeteren door het te modificeren met additieven.

Lees ook: Magnesium-Ion Batterijen Zijn Efficiënter En Veiliger Dan Lithium

De resultaten tonen aan dat onderzoekers een interessante techniek ontgrendeld hebben voor het ontwikkelen van langer durende batterijen. Het zou niet onjuist zijn om te zeggen dat fluoridebatterijen een comeback maken.