För att uppnå kolneutralitet till 2060 är det avgörande att öka användningen av icke-fossila energikällor och att expandera användningen av förnybara grönteknologier. Detta inkluderar etableringen av en cirkulär ekonomi och en säkerställning av smarta elnätsarkitekturer. En omställning från fossila bränslen till förnybara källor som sol-, vatten- och vindkraft kan minska koldioxidutsläppen avsevärt i viktiga industriella sektorer. Dock begränsas den utbredda dominansen av dessa förnybara energikällor av deras intermittenta natur och ojämna geografiska fördelning. För att mildra elnätens oflexibilitet och upprätthålla en stabil energiförsörjning krävs robusta energilagringssystem. Detta har lett till att forskare och ingenjörer har utforskat nya teknologier för att möta framtida behov av energilagring.

Traditionella batteriteknologier, såsom litiumjon-, natriumjon-, blybatterier och zinkbatterier, har begränsningar när det gäller hållbarhet. Dessa batterier lider av kapacitetsförlust eftersom de använder fasta elektroder och sura eller alkaliska elektrolyter, vilket leder till fasomvandling, dendritväxt och sidoreaktioner som försvårar uppfyllandet av de hållbarhetsstandarder som krävs för energilagring på nätverksnivå. Därför krävs det alternativa teknologier som kan erbjuda mer pålitliga och hållbara lösningar för energilagring.

Liquid metal-batterier (LMBs) erbjuder en innovativ lösning för denna utmaning genom att använda flytande metaller som både positiva och negativa elektroder. Metaller som antimon (Sb), vismut (Bi), tenn (Sn), bly (Pb) och tellur (Te) används som positiva elektroder, medan litium (Li), natrium (Na), kalium (K), kalcium (Ca) och magnesium (Mg) fungerar som negativa elektroder. Kombinationen av flytande metall-elektroder och de stabila, icke-dekomponerande egenskaperna hos oorganiska smältsalter som elektrolyter gör att LMBs kan övervinna degraderingsprocesser, vilket teoretiskt ger dem ett oändligt livslängdscykel.

Dessutom bidrar frånvaron av termiska effekter till den höga säkerheten hos LMBs, vilket gör dem lämpliga för storskaliga applikationer. LMB-marknaden förväntas växa kraftigt, och marknadsstorleken beräknas nå 1,3 miljarder dollar år 2029, upp från 816 miljoner dollar 2022, med en årlig tillväxttakt på 6,9%. Företag som Ambri, Eos Energy Storage och Form Energy är i spetsen för att utveckla och kommersialisera LMB-teknologi. Dessa batterier lovar att revolutionera elnäten genom att förbättra integrationen av förnybar energi, förlänga batterilivslängden och minska kostnaderna, vilket på så sätt löser några av de mest pressande energirelaterade utmaningarna.

Marknadsdynamiken för LMBs varierar beroende på region. I Nordamerika, särskilt i USA, förväntas marknaden växa tack vare stark industriell automation, hög konsumentutgifter och teknologiska framsteg. I Europa visar både Västeuropa och Östeuropa lovande tecken på tillväxt, där Västeuropa gynnas av robusta ekonomiska förhållanden, kontinuerlig innovation och infrastrukturutveckling, medan Östeuropa, trots utmaningar som Ryssland-Ukraina-konflikten, upplever en tillväxt i tillverknings- och teknikcentrum. Asien, med Kina, Japan, Sydkorea och Indien i spetsen, kommer fortsätta dominera den globala tillverkningsindustrin, där fokus ligger på högre effektivitet och kvalitetsstandarder. Mellanöstern investerar också i att diversifiera sin ekonomi bort från fossila bränslen, med stora planer som Saudi Vision 2030 som driver tillväxt. Afrika är på väg att uppleva den största tillväxten, tack vare investeringar i nyckelsektorer som jordbruk, gruvdrift och tillverkning samt förbättringar i politisk stabilitet och initiativ som det Afrikanska kontinentala frihandelsområdet (AfCFTA) som underlättar handel mellan länder.

När LMB-teknologin utvecklas och blir mer utbredd, har den potential att omvandla hur energi lagras och distribueras på global nivå. Dessa batterier kan avsevärt förbättra integrationen av förnybara energikällor i elnäten och bidra till ett stabilt och tillförlitligt energiförsörjningssystem, vilket är centralt för de globala målen för avkarbonisering och hållbar utveckling. LMBs representerar därmed en nyckelkomponent i framtidens lösningar för energilagring och distribution.

Förutom den tekniska utvecklingen av LMBs är det viktigt att notera att de erbjuder ett stort mervärde i relation till deras långsiktiga hållbarhet och säkerhet, två faktorer som gör dem till ett attraktivt alternativ för framtida elnätslösningar. Dessa batterier är mer resistenta mot de nedbrytningseffekter som påverkar traditionella batteriteknologier, vilket gör dem särskilt användbara för långvariga energilagringsapplikationer som kräver en lång cykeltid och hög tillförlitlighet.

Hur påverkar hög temperatur och korrosion utvecklingen av K-, Mg- och Ca-baserade flytande metallbatterier?

K-, Mg- och Ca-baserade flytande metallbatterier (LMB) är ett intressant alternativ till traditionella litiumjonbatterier, men dessa batterier möter flera tekniska hinder som måste övervinnas för att de ska kunna utnyttjas i större skala. En av de största utmaningarna är de extrema temperaturer som krävs för att de flytande saltelektrolyterna ska fungera effektivt. Dessa höga temperaturer leder till problem som korrosion, nedbrytning av material och svårigheter med att skapa pålitliga förseglingar, vilket är avgörande för batteriets långsiktiga stabilitet och funktion.

För att kunna tillverka batterier som håller under lång tid måste materialvalen för både förseglingar och strömsamlare (current collectors) göras noggrant. Förseglingarna i flytande metallbatterier, som arbetar vid mycket höga temperaturer, utsätts för stark korrosion från de aggressiva smältanterna, som till exempel MgCl2-AlCl3. Traditionella material för försegling, som silikon och vissa keramiska föreningar, har ofta inte tillräcklig termisk stabilitet eller kemisk resistens för att motstå de extrema förhållandena, vilket leder till att batterierna får kortare livslängd och minskad elektrolytisk effektivitet. Därför behövs forskningsinsatser för att utveckla nya material som kan stå emot dessa svåra förhållanden.

Korrosionen som orsakas av de smältande salterna vid höga temperaturer innebär att det är av största vikt att utveckla korrosionsresistenta material och beläggningar för strömsamlarna. Strömsamlarna spelar en avgörande roll för att upprätthålla en effektiv elektrontransport mellan elektroderna och den externa kretsen. Eftersom de flesta konventionella material som rostfritt stål, nickel och koppar inte kan stå emot de korrosiva salterna vid höga temperaturer, måste alternativa material undersökas för att förhindra nedbrytning och säkerställa långsiktig funktion.

En annan viktig aspekt av LMB-teknologin är batteriets grundläggande elektrokemiska mekanismer. När batteriet laddas ur rör sig metalljoner (såsom K+, Mg2+, Ca2+) från anoden till katoden genom elektrolyten, vilket gör att elektroner flödar genom den externa kretsen och ger elektrisk energi. Vid laddning sker processen i omvänd ordning. Här spelar valet av metalljon, elektroder och elektrolyt en stor roll för batteriets prestanda och stabilitet. För K-, Mg- och Ca-baserade batterier är det avgörande att välja rätt material som gör det möjligt för jonerna att diffundera snabbt nog, samtidigt som elektrodens struktur hålls intakt och inte försämras under användning.

K-ionbatterier (KIB) har visat sig vara ett intressant alternativ till litiumjonbatterier, delvis för att kalium är mer tillgängligt och billigare än litium. Men kaliumjoner är större än litiumjoner, vilket leder till att volymen på elektroderna expanderar kraftigt under laddning och urladdning, vilket kan orsaka nedbrytning och försämrad livslängd på batteriet. För att åtgärda detta undersöker forskare olika anodematerial, inklusive kolbaserade föreningar och legeringsalternativ, för att minska dessa negativa effekter.

Mg-ionbatterier (MgIB) har en teoretisk fördel i form av en högre volumetrisk kapacitet, eftersom magnesium kan överföra två elektroner per jon istället för endast en, som i fallet med litium. Trots denna potentiella fördel möter Mg-ionbatterier stora hinder i form av svårigheten att hitta elektrolyter som gör det möjligt för magnesiumjoner att röra sig effektivt utan att skapa passiveringslager vid anoden. Den tvåvärda naturen hos Mg-jonerna gör att de starkare joniska interaktionerna kan hämma jonernas rörelse och minska batteriets prestanda.

Utvecklingen av Ca-ionbatterier är också under intensiv forskning. Kalciumjoner (Ca2+) erbjuder en möjlig väg för att förbättra batteriers kapacitet och effektivitet. Kalcium, likt magnesium, är mer tillgängligt och billigt än litium, men de elektrokemiska egenskaperna hos Ca-ioner skapar också specifika utmaningar, särskilt när det gäller att utveckla hållbara katoder och elektrolyter som inte degraderas under långvarig användning.

Sammanfattningsvis innebär utvecklingen av K-, Mg- och Ca-baserade flytande metallbatterier en rad utmaningar som måste övervinnas för att möjliggöra deras kommersiella användning. Förutom de tekniska problem som nämnts, såsom korrosion, försegling och strömsamlarens hållbarhet, är det viktigt att forskningen på elektrolyter fortsätter. Utvecklingen av nya elektrolyter som kan fungera effektivt under de höga temperaturer som dessa batterier kräver är en nyckelfaktor för deras framgång. Genom att ta itu med dessa problem på materialnivå kan dessa batterier potentiellt erbjuda en framtid med billigare och mer hållbara energilagringslösningar.

Vad kännetecknar elektrolyter för effektiv zinkavlagring i batterier och hur påverkar deras sammansättning prestanda?

Elektrolyter spelar en central roll i effektiviteten hos batterier, särskilt i system som involverar metallavlagring som zink. För att förstå de mekanismer som styr denna process, är det viktigt att beakta olika typer av elektrolyter och deras inverkan på den elektrokemiska produktionen av väte och zinkavlagring.

I experimenten som genomfördes på elektroder i system med olika elektrolyter observerades en signifikant skillnad i väteproduktion och zinkavlagring beroende på elektrolyternas sammansättning. Under ett inledande observationsskede på 20 minuter, där man övervakade produktionen av kemiskt väte (H₂), tillämpades en strömdensitet på 0,05 och 0,10 mA/cm² för att bedöma den elektrokemiska väteproduktionen. I elektrolytsystem som bestod av 0,5M LiTFSI och 0,5M Zn(TFSI)2 uppstod spontan väteproduktion vid kontakt med metalliskt zink, vilket inte observerades i systemet LZ-DES/2H2O.

En viktig observation från dessa experiment var att den vatten-i-des elektrolyten (LZ-DES/2H2O) visade på en betydligt mer stabil och smidig zinkavlagring utan gasbildning. Detta system möjliggör en jämn deposition av zink utan att dendriter bildas, även vid en strömdensitet på 0,2 mA/cm² under 40 minuter. Detta gör LZ-DES/2H2O till en mer kemiskt och elektrokemiskt stabil elektrolyt än de mer utspädda vattengruppselektrolyterna, där vätebildning hindrade en jämn zinkavlagring.

I kontrast, i systemet med 0,5M LiTFSI + 0,5M Zn(TFSI)2, var gasbubblor, särskilt väte, synliga och blockerade effektivt zinkdepositionen. Detta understryker vikten av att välja rätt elektrolyt för att optimera elektroplätering och förhindra ineffektivitet orsakad av oönskad gasproduktion.

Det är också relevant att notera att elektrolyternas termiska och kemiska stabilitet är avgörande för batteriets långsiktiga prestanda. Förutom att man söker elektrolyter som minimerar gasproduktion och dendritbildning, är det viktigt att förstå elektrolyternas förmåga att bibehålla sin stabilitet under varierande driftförhållanden. De elektrolyter som erbjuder överlägsen prestanda i zinkbatterier möjliggör ett mer effektivt energilagringssystem som samtidigt förhindrar mekaniska problem som kan uppstå vid dendritbildning eller oönskad väteproduktion.

Vidare, de forskningsresultat som rör användningen av smält halogenerade salter i batterier har också öppnat upp nya möjligheter. Smält halogenerade salter erbjuder hög jonledningsförmåga och ett brett elektrokemiskt stabilitetsfönster, men deras användning är begränsad av deras förmåga att avdunsta vid höga temperaturer. Detta gör att deras applikationsområde främst är begränsat till batterier som arbetar vid högre temperaturer, vilket i sin tur medför utmaningar när det gäller både konstruktion och tillverkningskostnader.

För att lösa dessa problem har teknologier som quasi-solidification (QSS) visat sig vara en effektiv metod. Genom att kombinera smälta salter med nanopartiklar, som yttrium-stabiliserad zirkoniumoxid (YSZ), kan man reducera volatiliteten hos smält halogenid och därigenom förbättra elektrolyternas prestanda och livslängd. Denna typ av elektrolyt har även visat sig förbättra cykelförmåga och energikapacitet i batterier som inte är baserade på litium, vilket öppnar för billigare och mer hållbara alternativ för framtida energilagringsteknologier.

En ytterligare aspekt som behöver beaktas är den elektrokemiska stabiliteten hos de elektrolyter som används för att säkerställa långsiktig drift utan förlust av kapacitet eller strukturell integritet. Elektrolytens sammansättning och dess interaktioner med elektroder och andra komponenter spelar en avgörande roll för batteriets övergripande livslängd och effektivitet.

När det gäller nya material för elektroder i batterier har koordinerade organiska ramverk (COFs) fått allt större uppmärksamhet. Dessa organiska material kan skräddarsys för att förbättra jonflödet och förhindra volymexpansion, vilket är en av de största utmaningarna vid användning av metallanoder som zink och litium. COFs erbjuder också möjligheter att skapa material med hög ytarea och låg densitet, vilket kan bidra till bättre prestanda i framtida batterier.

För att uppnå optimal prestanda i elektrolyt- och batteridesign, är det viktigt att ta hänsyn till alla aspekter av elektrolytens egenskaper, från dess jonledningsförmåga till dess stabilitet och interaktioner med elektroder. Forskning och innovation på detta område kommer sannolikt att leda till utveckling av mer effektiva och hållbara batteriteknologier i framtiden.

Vad är de senaste materialinnovationerna för katoder i flytande metallbatterier?

Flytande metallbatterier (LMB) representerar en framstående teknologi för lagring av energi med potential för användning i stora energilagringssystem, som i elnätet. De erbjuder fördelar som hög energitäthet, lång livslängd och kostnadseffektivitet. För att optimera prestandan i dessa batterier är utvecklingen av nya och förbättrade material avgörande. Detta gäller särskilt katodmaterial, där flera lovande lösningar har identifierats.

En intressant kategori av material är lagerdubbla hydroxider (LDH). Dessa mineraler kännetecknas av en struktur som liknar brucit, med interkalering av anjoner och vattenmolekyler i mellanlagren. LDH:er har en unik gästvärdarkitektur, där positivt laddade värdskikt är separerade av negativa gästanioner. Deras förmåga att införa övergångsmetalljoner med blandade valens kan leda till högpresterande katalysatorer på molekyl- och nanoskala. Dessutom har LDH:er potential för att utveckla effektiva material för vätgasproduktion via elektrolys, särskilt i samband med syreutvecklingsreaktionen (OER). Denna reaktion är nyckeln till vattenuppdelning och är ofta långsam, vilket gör att det krävs katalysatorer för att påskynda processen. Denna potential gör LDH:er till ett intressant alternativ för framtida energiomvandlingssystem.

En annan lovande utveckling för katoder i flytande metallbatterier är användningen av kalciumlegeringar. Kalcium, ett jordnära och billigt element, har visat sig vara ett attraktivt alternativ för katodmaterial, särskilt i högtemperaturflytande metallbatterier (HT-LMB). Kalcium har en hög smältpunkt på 842°C, vilket innebär att det krävs avancerade legeringstekniker för att hantera dess höga smältpunkt och löslighet i smälta saltelektrolyter. Kalciumlegeringar, såsom Ca-Mg, har visat sig vara effektiva för att sänka smältpunkten och förhindra kalciums löslighet i elektrolyten, vilket i sin tur minskar självurladdning och ökar den Coulombiska effektiviteten. Kombinationen av kalcium med andra metaller som magnesium (Mg) och bismut (Bi) erbjuder potentiella lösningar på dessa problem och kan leda till stabilare och mer effektiva flytande metallbatterier.

För att ytterligare förbättra dessa system undersöks också galliumlegeringar. Gallium är ett metalliskt element som är flytande vid låg temperatur (30°C) och har en rad användningsområden, inklusive elektromagnetiskt störskydd (EMI) och i flytande metallbatterier. Galliumbaserade legeringar erbjuder fördelar som hög elektrisk ledningsförmåga och god stabilitet vid rumstemperatur. De utgör en lovande lösning för batterier som kräver låg smältpunkt och hållbarhet i olika miljöförhållanden. För att ytterligare optimera galliumlegeringar undersöker forskare blandningar av gallium med andra metaller för att förbättra deras prestanda och säkerhet.

Flytande metallbatterier erbjuder inte bara tekniska fördelar utan också miljömässiga fördelar, då många av de använda materialen är billigare och mer tillgängliga än de som används i konventionella litiumjonbatterier. Kalcium och gallium, till exempel, är rikligt förekommande och har en lägre miljöpåverkan vid utvinning och användning. Detta gör dem till attraktiva alternativ i strävan efter mer hållbara energilösningar på lång sikt.

För att uppnå den fulla potentialen av dessa nya material och teknologier måste ytterligare forskning fokusera på att förbättra kompatibiliteten mellan legeringarna och elektrolyterna, samt att optimera batterikonstruktionen för att minimera energiförluster och för

Hur skiljer sig värdetyper från referenstyper i Swift?
Hur kan komponentprestanda och underhåll påverka hållbarheten i komplexa system?
Hur fungerar CO2-behandling och komprimering i koldioxidinfångning?