Højere energi, sikrere, længerevarende zinkbatteri:Forskere genopliver gammel kemi med ny elektrolyt

Igen etablerede University of Maryland (UMD) som en leder inden for udviklingen af ​​banebrydende batteriteknologi, et team ledet af forskere ved UMDs A. James Clark School of Engineering har skabt et vandbaseret zinkbatteri, der samtidig er kraftfuldt, genopladelig, og iboende sikkert. Et peer-reviewed papir baseret på forskningen blev offentliggjort 16. april i tidsskriftet med stor indflydelse Naturmaterialer .

Sammen med kolleger ved U.S. Army Research Laboratory (ARL) og National Institute of Standards and Technology (NIST), UMD-ingeniørerne kombinerede gammel batteriteknologi (metallisk zink) med nye (vand-i-salt-elektrolytter). Bygger på tidligere UMD-fremskridt for at skabe sikrere batterier ved hjælp af en ny vandig elektrolyt i stedet for den brandfarlige organiske elektrolyt, der bruges i konventionelle lithium-ion-batterier, forskerne skruede op for energien i det vandige batteri ved at tilføje metallisk zink - brugt som anode på det allerførste batteri - og dets salt også til elektrolytten.

"Vandbaserede batterier kan være afgørende for at forhindre brand i elektronik, men deres energilagring og kapacitet har været begrænset - indtil nu. For første gang, vi har et batteri, der kan konkurrere med lithium-ion-batterierne i energitæthed, men uden risiko for eksplosion eller brand, "siger Fei Wang, en i fællesskab udpeget postdoktor på UMD's Clark School og ARL, og første forfatter til papiret.

Forskerne siger, at det nye vandige zinkbatteri i sidste ende kunne bruges ikke kun i forbrugerelektronik, men også under ekstreme forhold for at forbedre ydeevnen for sikkerhedskritiske køretøjer som dem, der bruges inden for luftfart, militær, og dybhavsmiljøer.

Som et eksempel på det vandige zinkbatteris magt og sikkerhed, Fei Wang nævner de mange batterihændelser i mobiltelefoner, bærbare computere, og elbiler fremhævet i nyere mediedækning. Det nye vandige zinkbatteri, der er præsenteret i dette arbejde, kan være svaret på opfordringen til sikker batterikemi, samtidig med at den bevarer den sammenlignelige eller endnu højere energitæthed af konventionelle lithium-ion-batterier.

Dette stærkt koncentrerede vandige zinkbatteri overvinder også andre ulemper ved konventionelle zinkbatterier, f.eks. evnen til kun at udholde begrænsede genopladningscyklusser, dendrit (trælignende strukturer af krystaller) vækst under brug og genopladning, og vedvarende vandforbrug, hvilket resulterer i behovet for regelmæssigt at genopbygge batteriernes elektrolyt med vand.

"Eksisterende zinkbatterier er sikre og relativt billige at producere, men de er ikke perfekte på grund af dårligt cyklusliv og lav energitæthed. Vi overvinder disse udfordringer ved at bruge en vand-i-salt elektrolyt, "siger Chunsheng Wang, UMD professor i kemisk og biomolekylær teknik og tilsvarende forfatter til papiret.

Yderligere, i denne samarbejdsindsats, forskerne identificerede den grundlæggende årsag, der forårsager irreversibilitet i zinkbatterier - et fænomen observeret i genopladeligt batteriforbrug, hvor mængden af ​​opladning, et batteri kan levere ved den nominelle spænding, falder ved brug - og fandt en ny løsning på det. Hemmeligheden var at ændre solvationssfærens struktur af zinkkation (positivt ladede ioner).

"Fordi de fleste vandmolekyler i den nye elektrolyt er stærkt bundet af det stærkt koncentrerede salt, vandet i det vandige zinkbatteris elektrolyt fordamper ikke i en åben celle. Dette fremskridt revolutionerer zink-luftbatterier, som drives af oxiderende zink med ilt fra luften, såsom dem, der bruges til lagring af energinet, "tilføjer Chunsheng Wang.

Forskerteamet siger, at dette batteriteknologiske fremskridt danner grundlag for yderligere forskning, og de er håbefulde for mulig fremtidig kommercialisering.

"Zinkbatterier ville give et kraftfuldt og billigt middel til energilagring, hvis de kunne genoplades. Denne undersøgelse afdækkede måder at kontrollere, hvilke molekyler i elektrolytten omgiver de ioner, der bevæger sig frem og tilbage i et batteri, når de lagrer og frigiver energi. Her, medforfatterne anvendte denne viden til at lave et meget genopladeligt zinkbatteri, der kunne tilbyde en billig, sikkert alternativ til forbrugerelektronik, biler, og lagring af elnet, "siger Joseph Dura, en fysiker ved NIST og medforfatter af papiret.

"Den betydningsfulde opdagelse i dette arbejde har berørt kerneproblemet med vandige zinkbatterier, og kan påvirke andre vandige eller ikke-vandige multivalens-kationkemikalier, der står over for lignende udfordringer, såsom magnesium- og aluminiumbatterier, "siger Kang Xu, ARL-kollega og medkorresponderende forfatter til dette papir.