Opladen van aluminium-grafeenbatterij in 5 seconden Werkt van –40°C tot 120°C, 250.000 cycli

• Ingenieurs hebben een nieuwe batterij gemaakt die werkt in een temperatuurbereik van -40°C tot 120°C en binnen 5 seconden kan worden opgeladen. 
• Hij kan 91% van zijn capaciteit behouden na 250.000 laad-ontlaadcycli. 
• De batterij is extreem flexibel en kan 10.000 keer worden opgevouwen. 

Ingenieurs van de Zhejiang Universiteit in China hebben een ultrasnelle, weerbestendige aluminium grafeenbatterij met een lange levensduur ontwikkeld die superieure prestaties levert, vooral wat betreft de oplaadtijd. Zodra de commerciële productie start, kan de batterij in 5 seconden volledig worden opgeladen en vervolgens twee uur meegaan.

Materiaal- en technische onderzoekers die de batterij hebben ontwikkeld, beweren dat deze beter bestand is tegen koude, minder ontvlambaar is en kan werken in een temperatuurbereik van -40°C tot 120°C. Er zijn echter maar weinig deskundigen uit de sector die deze beweringen in twijfel trekken.

De negatieve pool van de batterij is gemaakt van aluminium en de positieve pool van grafeen. Hij is in staat om 91% van zijn capaciteit te behouden na een kwart miljoen laad-ontlaadcycli – een stuk beter dan de huidige lithiumbatterij. Het is gebouwd voor energie-apparaten voor alle klimaatomstandigheden en heeft een opmerkelijke flexibiliteit, omdat het 10.000 keer kan worden opgevouwen.

Indien geïntegreerd met smartphones, kan deze in 5 seconden worden opgeladen en tot twee uur worden gebruikt. Bovendien gaat de batterij tot 70 jaar mee zonder capaciteit te verliezen, zelfs als de telefoon 10 keer per dag wordt opgeladen.

Ontwerp en prestaties

Om kathodemateriaal van een aluminium-ionbatterij te bouwen, kozen ze voor grafiet, grafeen, zwavel en metaalsulfide. Grafitische koolstof biedt functies zoals snel opladen en stabiel fietsen. Voor een dergelijke op koolstof gebaseerde kathode zorgden ingenieurs voor vier vereisten:

1. Zeer gekristalliseerd grafeenrooster.
2. Continue elektronengeleidende matrix voor groot stroomtransport en beperking van interne polarisatie.
3. Hoge mechanische sterkte en Young-modulus om instorten van materiaal te voorkomen.
4. Onderling verbonden kanalen, waardoor een hoge elektrolytpermeabiliteit en ionendiffusie mogelijk wordt.

Om aan deze eisen te voldoen, hebben ze een ideale grafeenfilm gebouwd die is vervaardigd door natspinnen of gieten van een vloeibare kristaloplossing van grafeenoxide (GO) in GO-film, gevolgd door chemische reductie om gereduceerde GO (rGO)-film te vormen en uitgloeien op hoge temperatuur.

Een perfect uitgelijnde grafeenplaat leidt tot een hogere elektrische geleidbaarheid en mechanische eigenschappen dan grafeenschuimen die zijn samengesteld uit niet-georiënteerde grafeenplaten. De rGO-film werd verder uitgegloeid bij 2850 graden Celsius om atomaire defecten te herstellen en om te zetten in een lange, continue, dunne grafeenfilm.

De prestaties van een batterij hangen voornamelijk af van de snelheid waarmee elektronen en ionen tussen de negatieve en positieve elektroden bewegen. Het elektrodemateriaal moet ervoor zorgen dat zoveel mogelijk elektronen en ionen vrij kunnen stromen. Als de weg te druk is, worden de prestaties beïnvloed. Dat is de reden dat je moet zorgen voor de kwaliteit, oriëntatie en porositeit van microstructuren. En geleidende netwerken, ionentransportkanalen en ionenkanalen in een macrostructuur.

Referentie:Sciencemag | DOI:10.1126/sciadv.aao7233 | Zhejiang Universiteit

Dankzij dit ontwerpprincipe kan de aluminium-grafeenbatterij een grote stap voorwaarts zetten en verbazingwekkende prestaties leveren. Voorheen schommelde de capaciteit van de aluminium batterij rond de 60 mAh/g, met een laad-ontlaadcyclus van minder dan duizenden keren.

Batterij verlichtte de ZJU-120 LED | Afbeelding tegoed:Zhejiang Universiteit

Na testen behield de positieve elektrodecapaciteit van grafeen van 120 mAh/g, na 25 miljoen laad-ontlaadcycli, nog steeds de capaciteit van 91 procent. Tegelijkertijd kan snelladen binnen 1,1 seconde worden opgeladen, waarbij de omkeerbare capaciteit van 111 mAh/g behouden blijft.

Sommige experts zijn niet gefascineerd door de bevindingen

Volgens een branche-expert, Zheng Jiatu, adjunct-directeur van de China Electric Vehicle Charging Technology, zien de door het team gepubliceerde resultaten er niet veelbelovend uit. “De cijfers moeten met voorzichtigheid worden gelezen”, zelfs het testen van een laad-ontlaadcyclus van een kwart miljoen zou op zichzelf al erg lang duren. Deze resultaten zijn waarschijnlijker experimenten die zijn uitgevoerd op een gesimuleerd gegevensmodel in plaats van prototypetests.

Bovendien zou commercialisering een aantal dingen vereisen die niet duidelijk zijn. Enkele van de belangrijkste factoren zijn onder meer de kostenprestaties, de energie-intensiteit van een bepaald type batterij, veiligheid, betrouwbaarheid en een volwassen bedrijfsmodel. Er zijn nog veel andere bewezen en gebruiksklare technologieën die nog niet op de markt zijn gebracht.

Lezen:Magnesium-ionbatterijen zijn efficiënter en veiliger dan lithium

Het onderzoeksteam zei echter dat ze nog een lange weg te gaan hebben en dat er nog talloze obstakels moeten worden overwonnen. Ze zijn van mening dat de ‘super’-batterij veel beter is dan lithium-ionbatterijen, maar er zijn nog steeds veel dingen die verbeterd moeten worden. Bovendien is de conventionele ionische vloeibare elektrolyt vrij duur. Als men goedkopere elektrolyten kan vinden, zouden de zakelijke kansen voor aluminiumionbatterijen groter zijn.