Kobberatomer hjælper zink-jod-batteri gennem 50.000 laboratoriecyklusser

Et nyt materiale skal gøre en vanskelig jodreaktion mere stabil i vandbaserede batterier. I et studie offentliggjort i dag, den 21. oktober, rapporterer forskere et zink-jod-batteri, der beholdt 70 procent af sin kapacitet efter 50.000 cyklusser ved en høj specifik strøm på 10 ampere pr. gram.

Resultatet er offentliggjort i Nature Communications af Shuai Wang og kolleger. Holdet har indlejret enkelte kobberatomer i et kvælstofholdigt kulstofmateriale. Sammen med et lokalt miljø med chloridioner skal det stabilisere den positivt ladede jodform I⁺, som ellers let indgår i uønskede reaktioner.

Ved 1 ampere pr. gram opnåede cellen cirka 408 milliamperetimer pr. gram. Ved den højere strøm i langtidstesten var startkapaciteten cirka 251 milliamperetimer pr. gram. Det er to forskellige testbetingelser; den højeste kapacitet og de 50.000 cyklusser må ikke læses som ét samlet driftspunkt.

Det svære er at få kemien tilbage igen

Et genopladeligt batteri skal gøre mere end at afgive strøm én gang. Det skal kunne vende sine kemiske processer, når det bliver ladet op, og gentage forløbet uden hurtigt at miste den egenskab, man ville udnytte.

Det amerikanske energiministerium, DOE, forklarer batteriets grundprincip som en udveksling mellem elektrisk energi og kemisk potentiale. Elektroner bevæger sig gennem det ydre kredsløb, mens ladede partikler bevæger sig inde i batteriet gennem elektrolytten. De to bevægelser hænger sammen og gør opladning og afladning mulig.

Men processerne vender ikke altid fuldstændigt tilbage til udgangspunktet. Over tid kan materialernes kemi og struktur ændre sig. Det kan sænke ydelsen og påvirke sikkerheden. Derfor handler meget batteriforskning om at styre reaktioner på atomart niveau, selv om slutmålet er et praktisk lager til strøm.

I det nye arbejde er målet en reversibel reaktion mellem jod i flere ladningstilstande. Forskerne beskriver en fire-elektron-proces med to spændingsplateauer. Materialet skal både holde bedre på jodforbindelserne og gøre den ønskede omsætning lettere.

50.000 cyklusser er ikke 50.000 hverdagsopladninger

En laboratoriecyklus er defineret af forsøgets betingelser. Strøm, spændingsgrænser, temperatur og den mængde materiale, som resultatet beregnes ud fra, har betydning. Man kan derfor ikke direkte oversætte et cyklustal til, hvor mange år et batteri holder i en telefon, en bil eller et hus.

Der er også forskel på kapacitet og energi. Milliamperetimer beskriver elektrisk ladning. For at vurdere energien skal spændingen med. Og for at sammenligne færdige produkter skal vægten af blandt andet elektrolyt, strømledere, separator og indpakning indgå, ikke kun et udvalgt aktivt materiale.

Et enkelt regneeksempel viser en anden vigtig forskel: Hvis en startkapacitet sættes til 100 enheder, svarer 70 procent tilbage til 70 enheder. Batteriet fungerer stadig, men har mistet 30 enheder. En lang test og en uændret kapacitet er altså ikke det samme resultat.

Zink er en familie af batterikemier

DOE’s teknologivurdering fra 2023 beskriver flere forskellige zinkbatterier, blandt andet kombinationer med manganoxid og nikkel samt zink-luft. De deler brugen af zink, men har forskellige modreaktioner og egenskaber. Erfaringer med én kemi kan derfor ikke uden videre overføres til en anden.

Rapporten peger også på udfordringer omkring blandt andet levetid, energitæthed og håndtering af gasudvikling i vandbaserede systemer. Det er baggrund for at vurdere forskningsfeltet, ikke en bedømmelse af det nye zink-jod-materiale.

At bruge en vandbaseret elektrolyt besvarer således ikke alle spørgsmål om et færdigt produkts egenskaber. Den samlede konstruktion og dens driftsbetingelser skal vurderes. Tilsvarende kan en løsning på jodsiden af cellen være værdifuld uden dermed at løse alle udfordringer ved resten af batteriet.

Et materialeresultat med en tydelig næste opgave

Den nye publikation er fagfællebedømt og accepteret, men foreligger som en tidlig udgave før endelig redigering. Den giver et konkret bud på at kontrollere en vanskelig batterireaktion.

Det afgørende næste spørgsmål er, om fordelene kan fastholdes i celler, der også er praktiske at fremstille og anvende. Det kræver vurdering af samlet energimængde, effektivitet, materialeforbrug og drift over tid. Dagens resultat er et fremskridt i materialeforskningen, ikke en annoncering af et batteri, der kan købes.