Алюминий более распространен и дешевле лития, что делает его потенциально привлекательным для крупномасштабного хранения энергии, даже если technology никогда не становился достаточно легким для использования в автомобиле или телефоне.
Алюминий также имеет преимущество перед литием в том, что его можно использовать в металлической форме без проблем с безопасностью, которые вызывает металлический литий.
Команда Корнелла намеревалась выяснить, почему в алюминиевых батареях возникают короткие замыкания и умирают всего после нескольких циклов заряда-разряда, изучая простой элемент, в котором металлический алюминиевый катод обращен к аноду из нержавеющей стали через стекловолоконный сепаратор, пропитанный электролитом.
За несколько циклов заряда-разряда на нержавеющей стали выросли высокие редко расположенные пики алюминия, проталкиваясь через стекловолокно и замыкаясь на противоположный алюминиевый электрод. То же самое можно сказать и о неплоских пенопластах никеля вместо плоских нержавеющих сталей.
По словам Корнелла, эти горные отложения заблокировали алюминий, что привело к циклическому сокращению запасенной энергии за короткий срок службы элемента.
Ни одно из этих знаний не было новым, и это не было следующим, что подтвердил Корнелл: значительная часть проблемы заключается в желании алюминия вступить в реакцию со стекловолоконным сепаратором и отсутствии энтузиазма в отношении поверхности анода из нержавеющей стали или никеля.
Возник вопрос: есть ли поверхность электрода, с которой алюминий хочет связать гораздо больше, чем стекловолокно?
И Корнелл ответил утвердительно: углеродные волокна с окисленной поверхностью, которая позволяет формировать связь CO-Al, связывающую волокно с металлом.
Окисление происходило без воздействия электролита, который представляет собой смесь хлорида имидазолия и хлорида алюминия, который естественным образом прикрепляет кислород к многочисленным дефектам на углеродной поверхности.
Вместо образования пиков ионы алюминия, приземляющиеся на поверхность окисленного углерода, накапливались сбоку, а не вверх, образуя ровный слой наноразмерных кристаллов (См фото). Даже когда более крупные кристаллы росли, когда поверхность была полностью покрыта, они оставались низкими и не поднимались на вершины - и это оставалось верным при более высоких токах, которые обычно способствовали бы неравномерному росту.
Аноды возвращают более 99% осажденного алюминия через сотни циклов заряда-разряда в течение тысяч часов - или даже тысяч циклов, в зависимости от тока и того, сколько из последних 1% остается каждый раз.
Впоследствии для нержавеющей стали было найдено покрытие на углеродной основе, которое имело аналогичный эффект, и модифицированная версия этой технологии показала многообещающие перспективы для металлических цинковых батарей.
Корнельский университет сотрудничал с Брукхейвенской национальной лабораторией и Государственным университетом Нью-Йорка в Стоуни-Брук.
Это исследование освещено в статье Nature Energy «Регулирование морфологии электроосаждения в анодах алюминиевых и цинковых батарей большой емкости с использованием межфазного соединения металл-подложка».