Lagdelte oxider til genopladelige zinkbatterier

Lagdelte oxider kan danne grundlag for højtydende materialer til batterielektroder. Et KAUST-team har udviklet en billig og enkel teknik, der skaber dette afgørende element til genopladelige zink-ionceller.

Lithium-ion-batterier driver de fleste af vores daglige elektroniske enheder, såsom mobiltelefoner og bærbare computere. Men der er et stigende behov for at lagre energi i meget større skalaer, såsom at beholde den elektricitet, der genereres af solceller, til brug om natten. Det er dyrt at skalere lithium-ion batteriteknologi op til en sådan industrielt niveau, og det giver alvorlige sikkerhedsproblemer, herunder toksicitet og elektrolytternes brændbarhed.

Holdet, ledet af Husam Alshareef, udvikler i stedet zink-ion-batterier, der bruger en vandbaseret elektrolyt, som har fordelene ved at være luftstabile, sikker, miljøvenlig og billig. "Vandige batterier baseret på zinkioner kan tilbyde en sikrere, omkostningseffektiv løsning til lithium-ion-batterier til netlagring, " siger Alshareef. "Videre, de bruger mere miljøvenlige materialer end bly-syre-batterier."

Lithium-ion- og zink-ion-batterier fungerer ved at lagre ioner elektrisk i en elektrode. Under opladning, ioner strømmer gennem en elektrolyt fra en elektrode til en anden, hvor de fanges af en proces kendt som interkalation. Dette betyder, at elektrodematerialer er nøglen til at optimere et batteris ydeevne.

En familie af materialer, der har vist meget lovende i nyere zink-ion batteri forskning, er vanadium-baserede forbindelser. Disse materialer har en lagdelt og meget åben atomisk krystalstruktur med masser af plads til at fange og opbevare zinkioner.

Holdet har nu udviklet en mikrobølgetilgang til hurtigt at syntetisere ultralange zinkpyrovanadat (Zn3V2O7(OH)2·2H2O) katoder. De blandede Zn(NO3)2·2H2O med kommercielt NH4VO3-pulver, hver opløst i deioniseret vand, og påført mikrobølgestråling for at inducere en reaktion. Det resulterende materiale blev derefter tørret, før det blev brugt i et batteri.

Dette zink-ion batteri, de viser, kan opnå en energitæthed på op til 214 watt-timer pr. kilogram, hvilket er meget højere end tidligere rapporterede vandige zink-ion-batterier og kommercielle bly-syre-batterier, med forbedret stabilitet.

Holdet mener, at deres mikrobølgeteknik også kan være nyttig til at skabe andre metalpyrovanadatforbindelser, forklarer Chuan Xia, Ph.D. studerende og hovedforfatter af undersøgelsen. "Vi har allerede lavet forbindelser, hvor zink er erstattet med andre kationer, der skaber større metaloxid-polyedre, der er i stand til at interkalere endnu større mængder zinkioner, " siger Xia.