Ljus idé: Glow-in-the-Dark Dye kunde driva bilar
Om världen en dag ser en boom i elbilar och förnybar energi, kommer människor att behöva effektivare batterier än för närvarande finns tillgängliga. Nu säger forskare att ett glöd-i-mörkt färgämne som används för att spåra kemikalier i celler kan erbjuda en lösning.
Kemikalien är bor-dipyrrometen, annars känd som bodipy, och den består av en uppsättning kolringar kopplade till en boratom och två fluoratomer. Bodipy glödar under ”svart” ljus. Kemiforskare använder det som en markör för att se reaktioner eller identifiera var biologiska system tar upp andra ämnen, till exempel kadmium.
I den nya studien testade ett team av kemister vid universitetet vid Buffalo Bodipys kraftgenererande förmågor med en speciell typ av batteri som kallas ett reduktion-oxidationsbatteri (eller redox). Forskarna fann att små mängder av färgämnet som läggs till en lösning av acetonitril kunde göra ett batteri som kan laddas och laddas 100 gånger utan att förlora sin förmåga att lagra energi effektivt. [Top 10 Inventions That Changed the World]
I ett vanligt laddningsbart batteri, som de litiumjon som används i datorer och telefoner, är förändringarna i batterikemin i fast tillstånd, och det är svårare för elektriska laddningar att flyta. Litiumjonbatterier använder litium som laddningsbärare; Litium ger upp elektroner och rörelser från den negativa till positiv elektroden.
Vanligtvis har ett batteri kol och litiumoxid i det, och båda är fasta ämnen (därmed termen ”fast tillstånd”), så batteriets substans måste vara tillräckligt poröst för att litiumjonerna lätt kan komma igenom. Mellan litium- och kolskiktet finns en flytande elektrolyt för att bära laddningarna (det är vanligtvis inte vatten och kemiska varierar mellan olika tillverkare). Problemet är att efter upprepade laddningscykler kan elektroderna inuti batteriet försämras, eftersom de reagerar med de andra kemikalierna i batteriet.
Bygga ett bättre batteri
Tim Cook, biträdande professor i kemi vid universitetet vid Buffalo och huvudförfattare till den nya studien, berättade för Live Science att hans team kombinerade två olika tillvägagångssätt. Den första involverade med att använda ett redoxbatteri, (redox är kort för reduktionsoxidation) som består av två kammare av vätska hålls separata med ett membran. I detta system är vätskorna elektrolyterna som omger de positiva och negativa terminalerna, och med den installationen är det nödvändigt bara för att hitta något som kommer att lösa upp i vätskan och frigöra elektroner.
”Om laddningsbäraren är i lösning har det inte det problem som andra batterier har när [the electrode] Kristalliserar, ”vilket händer med vissa litiumjonbatterier, sa Cook.
Det andra steget var att hitta ett ämne som kunde upplösas i vätska och bära elektroner. Forskarna fann att Bodipy var en mycket effektiv elektronbärare; Det ger båda upp och tar in elektroner lätt, sa Cook. Detta innebär att det glöd-i-mörka ämnet är mer effektivt att leverera energi.
Detta redoxbatteri kan vara ett säkrare alternativ än litiumjonbatterier, som ibland tar eld. Detta händer eftersom litium i dem är joniserad, vilket betyder att det har gett upp en elektron. Det gör elementet mycket reaktivt med syre i vatten, inklusive fukten i luften, bildar litiumoxid och frisläppande väte.
”Det du har kvar är två joniserade hydrogener som var fästa vid vatten, och vi har två litium som gav upp elektroner för att gå med vattnet, och den reaktionen sparkar också mycket värme,” sa Cook.
Väte som kan brinna om en gnista träffar den, eller kemikalierna som används för elektrolyten, kan reagera med luft. (Själv litium är så reaktiv att en populär demonstration i kemiklasser tappar litium i vatten för att titta på den bubbla och generera väte.)
Säkrare alternativ?
När litiumjonbatterier tar eld beror det vanligtvis på att batteriets sprickor, som utsätter insidan för luften, eller för att membranen som separerar de kemiska arterna inuti batteriet skadas, vilket gör att reaktioner kan uppstå inuti batteriet. Dessa reaktioner genererar gaser, värme och ibland eld. [9 Odd Ways Your Tech Device May Injure You]
”A [lithium]-Baserat batteri har mycket energi, och om det finns mekaniska fel, som membranseparatorn är brast, kommer batteriet att lossna på en gång, vilket skapar en enorm mängd värme, ”sade Cook.
Nyligen utfärdade Samsung en återkallelse av sin Galaxy Note 7 -smartphones på grund av felaktiga batterier som i vissa fall exploderade eller tog eld. Dessa batteriproblem kan potentiellt hända i alla litiumjonberoende batterisystem, säger forskarna.
Vätskan i ett redoxbatteri lagras istället i tankar och kan återvinnas genom batteriets volym. Så småningom försämras till och med redoxbatterier, men en färsk vätsketillförsel kan tillåta dem att användas igen, enligt studien.
Här på jorden
Cook sa att tekniken ursprungligen utvecklades på NASA för rymdprober, men byrån hittade så småningom bättre batterilösningar för rymdskepp. Redox -batterier kan dock vara användbara för mer jordbundna applikationer, säger forskarna. Och medan redoxbatteriernas vätska kan oxidera, kommer acetonitrilen som Cooks team använde inte att brinna, säger forskarna.
Cook tillade att det är viktigt att notera att hans batteritester endast gjordes på bordssystem och producerade bara några volt. Men det krävde bara små koncentrationer av Bodipy för att få resultat, sade han. Nackdelen är att redoxbatterier vanligtvis måste vara större eftersom deras energitäthet är mindre, så oddsen är att de kommer att vara mer användbara för att lagra stora mängder kraft i hem och bilar snarare än telefoner, sa Cook.
Cirka 1 320 liter (5 000 liter) med hjälp av Cooks nuvarande kemiska blandning kan driva ett hus. Det skulle innebära ett batteri på storleken på en septiktank för ett hus med fyra sovrum. Cook tänker med lite arbete med koncentrationen av Bodipy, han kan få den volym som behövs ner till cirka 175 liter (660 liter), ungefär storleken på kylskåp eller stor fiskbehållare, sade han.
Samtidigt kanske behovet av effektiva batterier i hem inte är så långt i framtiden, om förnybar energi fortsätter att få vinster. ”Vi behövde egentligen inte medium till storskalig energilagring tidigare,” sa Cook. ”Nu, under det senaste decenniet, flödesbatterier [are] passande [a] populärt studieområde. ”
Forskningen publicerades 16 novemberutgåvan i tidskriften Chemsuschem.
Originalhistoria om levande vetenskap.
