Bateria aluminiu-ion cu încărcare ultrarapidă, o alternativă sigură la bateriile convenționale

Oamenii de știință de la Universitatea Stanford au inventat prima baterie din aluminiu de înaltă performanță care se încarcă într-un minut. Aceasta este flexibilă, durabilă și ieftină.

Cercetătorii spun că noua tehnologie oferă o alternativă sigură la bateriile comerciale utilizate pe scară largă în prezent.

„Am dezvoltat o baterie reîncărcabilă din aluminiu care poate înlocui dispozitivele de stocare existente, cum ar fi bateriile alcaline, care sunt o amenințare pentru mediu și bateriile litiu-ion, care uneori iau foc. Noua noastră baterie nu va lua foc, chiar dacă o treceţi prin foc“, a declarat Hongjie Dai, profesor de chimie la Universitatea Stanford.

Dai și colegii săi au descris noua lor baterie aluminiu-ion în studiul „O baterie aluminiu-ion reîncărcabilă, ultrarapidă” din revista Nature.

Aluminiul a fost mult timp un material atractiv pentru baterii, în principal ca urmare a costului redus, a inflamabilității scăzute și a capacității ridicate de stocare electrică.

De zeci de ani, cercetătorii au încercat, fără succes, să dezvolte o baterie viabilă, din punct de vedere comercial, din aluminiu. O provocare cheie a fost găsirea materialelor capabile să producă o tensiune suficientă după cicluri repetate de încărcare și descărcare.

Catod de grafit

O baterie aluminiu-ion este formată din doi electrozi: un anod încărcat electric negativ din aluminiu și un catod încărcat electric pozitiv.

„Cercetătorii au încercat diferite tipuri de materiale pentru catod. Am descoperit întâmplător că o soluție simplă este utilizarea grafitului, care este în esență carbon. În studiul nostru am identificat câteva tipuri de material din grafit care ne oferă performanțe foarte bune”, a spus Dai.

Pentru bateria experimentală, echipa de la Universitatea Stanford a plasat anodul de aluminiu și catodul de grafit, împreună cu un electrolit lichid ionic, într-o pungă flexibilă acoperită cu polimer.

„Electrolitul este practic o sare lichidă la temperatura camerei, deci este foarte sigur”, a spus Ming Gong, absolvent al Universitatii Stanford, coautor al studiului din Nature.

În laboratorul profesorului Hongjie Dai din Universitatea Stanford s-a inventat o baterie aluminiu-ion cu încărcare ultrarapidă din electrozi din aluminiu ieftin (Al) și foi de nanocarbon. Credit: Meng-Chang Lin și Hongjie Dai, Universitatea Stanford

Bateriile din aluminiu sunt mai sigure decât bateriile convenționale litiu-ion utilizate astăzi în milioane de laptopuri și telefoane mobile, a adăugat Dai.

„Bateriile litiu-ion pot reprezenta un pericol de incendiu”, a spus Dai.

De exemplu, el a amintit deciziile recente ale companiilor aeriene United Airlines și Delta Airlines de a interzice transporturile în cantitate mare de baterii litiu-ion pe avioanele de pasageri.

„Avem videoclipuri care arată că bateria experimentală din aluminiu continuă să funcționeze fără să ia foc chiar dacă învelişul acesteia este găurit. Pe lângă siguranță, am obținut progrese majore şi în ceea ce privește performanța bateriei din aluminiu”, a spus Dai.

Un exemplu este încărcarea ultrarapidă. Se ştie că încărcarea completă a unei baterii litiu-ion poate dura ore întregi. Cercetătorii de la Stanford au anunţat „timpi de încărcare fără precedent” de până la un minut cu prototipul din aluminiu.

Durabilitatea este un alt factor important. Bateriile din aluminiu dezvoltate de alte laboratoare au cedat de obicei după doar 100 de cicluri de încărcare-descărcare. În schimb, bateria dezvoltată la Stanford a rezistat la mai mult de 7.500 de cicluri fără a-şi pierde capacitatea de încărcare.

„Aceasta este prima baterie aluminiu-ion, ultrarapidă având o durabilitate de mii de cicluri”, au scris autorii.

Prin comparație, o baterie obișnuită litiu-ion durează aproximativ 1.000 de cicluri.

„O altă caracteristică a bateriei din aluminiu este flexibilitatea. Puteți să o îndoiți și să o pliați, astfel încât să poată fi utilizată în dispozitivele electronice flexibile. Aluminiul este, de asemenea, un metal mai ieftin decât litiul” a spus Gong.

O baterie flexibilă, durabilă și ieftină din aluminiu, care se încarcă într-un minut. Credit: Universitatea Stanford

Aplicații

În afară de dispozitivele electronice mici, bateriile din aluminiu ar putea fi utilizate pentru a stoca energie regenerabilă în rețeaua electrică, a spus Dai.

„Rețeaua electrică necesită o baterie cu o durată lungă de viață, care poate stoca şi furniza rapid energie. Ultimele noastre date sugerează că o baterie din aluminiu poate fi reîncărcată de zeci de mii de ori. Este greu de imaginat construirea unei baterii uriașe litiu-ion pentru stocarea energiei electrice în rețea”, a explicat Dai.

Tehnologia aluminiu-ion oferă, de asemenea, o alternativă ecologică la bateriile alcaline de unică folosință, a spus Dai.

„Milioane de consumatori folosesc baterii AA și AAA de 1,5 volți. Bateria noastră din aluminiu reîncărcabilă generează aproximativ 2 volți de energie electrică. Este mai mult decât a realizat oricine cu aluminiu, dar vor fi necesare mai multe îmbunătățiri pentru a se potrivi cu tensiunea bateriilor litiu-ion”, a adăugat Dai.

„Bateria noastră produce aproximativ jumătate din tensiunea unei baterii obişnuite cu litiu. Îmbunătăţirea materialului catodului ar putea crește, în cele din urmă, tensiunea și densitatea de energie.

Cu toate acestea, bateria noastră are tot ce aţi visat că ar trebui să aibă o baterie: electrozi ieftini, siguranță bună, încărcare de mare viteză, flexibilitate și ciclu de viaţă lung”, a spus Dai.

Traducere după Ultra-fast charging aluminum battery offers safe alternative to conventional batteries