En designstrategi til at producere stabile og energirige vandige zink-mangandioxid-batterier

Den globale efterspørgsel efter genopladelige batterier er vokset eksponentielt i løbet af det sidste årti eller deromkring, da de er nødvendige for at drive det stigende antal bærbare elektroniske enheder såsom smarttelefoner, bærbare computere, tabletter, smarte ure og fitness trackere. For at arbejde mest effektivt, genopladelige batterier skal have en høj energitæthed, men de burde også være sikre, stabil og miljøvenlig.

Selvom lithium-ion-batterier (LIB'er) nu er nogle af de mest udbredte genopladelige energilagringssystemer, de indeholder organiske elektrolytter, der er meget flygtige, hvilket reducerer deres sikkerhed betydeligt. I de seneste år, forskere har således forsøgt at identificere nye batterisammensætninger, der ikke indeholder brandfarlige og ustabile elektrolytter.

Blandt de mest lovende alternativer til LIB'er er batterier baseret på ikke-brændbare og billige vandbaserede elektrolytter, såsom bly-syre og zink-mangan batterier. Disse batterier har mange fordele, herunder større sikkerhed og lave produktionsomkostninger. Indtil nu, imidlertid, deres præstationer, arbejdsspænding og genopladelighed har været noget begrænset i forhold til lithium-baserede løsninger.

Forskere ved Key Laboratory of Advanced Ceramics and Machining Technology, Tianjin Key Laboratory of Composite and Functional Materials og Tianjin University i Kina har for nylig introduceret en ny designstrategi, der kan forbedre ydeevnen af ​​zink-mangandioxid (Zn – MnO ₂ ) batterier. Den tilgang, de udviklede, præsenteret i et papir udgivet i Naturenergi , indebærer afkobling af elektrolytter inde i batteriet for at muliggøre en optimal redox -kemi i både Zn og MnO ₂ elektroder.

"Vores papir opstod utilsigtet, da vi samlede et alkalisk Zn – MnO ₂ batteri med frisk elektrodeponeret MnO ₂ , som har noget resterende H ₂ SÅ ₄ (fra elektroaflejringsbadet) på MnO ₂ overflade, "Prof. Cheng Zhong, en af ​​forskerne, der gennemførte undersøgelsen, fortalte TechXplore. "Det samlede batteri udviste ekstra højere afladningsspænding end konventionel Zn – MnO ₂ batterier, som opmuntrede os til at fjerne tingene til det grundlæggende, lægger grundlaget for vores undersøgelse. "

Professor Zhong og hans kolleger fandt ud af, at deres strategi for afkobling af elektrolytter førte til bedre ydeevne Zn-MnO ₂ batterier med en åben kredsløbsspænding på 2,83 V. Dette er et meget lovende resultat, i betragtning af at mere konventionel Zn-MnO ₂ batterier har typisk en spænding på 1,5V.

Batteriets kapacitet fremstillet ved hjælp af deres elektrolytafkoblingsstrategi, kaldet DZBM, falmet med kun 2%, efter at den blev brugt kontinuerligt og genopladet i 200 timer. Ud over, batteriet beholdt 100% af sin kapacitet ved en række afladestrømstætheder. Bemærkelsesværdigt, forskerne demonstrerede, at batterier, der er skabt ved hjælp af deres metode, også kan integreres med vind- og fotovoltaiske hybridkraftsystemer, hvilket yderligere øger deres bæredygtighed.

"Elektrolytafkoblingsstrategien sigter mod samtidig at muliggøre den optimale redoxkemi af både Zn og MnO ₂ elektroder, "Forklarede prof. Zhong. Arbejdsbetingelserne for MnO ₂ katode og Zn anode blev afkoblet for at muliggøre både surt MnO ₂ og alkaliske Zn -redoxreaktioner i en enkelt celle. Det resulterende DZMB-batteri har en meget højere arbejdsspænding og forlænget cykeltid end traditionel alkalisk Zn-MnO ₂ batterier. "

I fremtiden, den nye designstrategi, der blev introduceret af prof. Zhong og hans kolleger, kunne bruges til at producere ny Zn-MnO ₂ billige og sikre batterier, men som også har usædvanligt høje kredsløbsspændinger og et forlænget cykelliv. Især den samme strategi kunne også bruges til at forbedre ydeevnen for andre zinkbaserede vandige batterier, herunder dem med Zn-Cu og Zn-Ag kompositioner.

"Da omkostningerne og ydeevnen ved de nyeste ion-selektive membraner stadig er utilfredsstillende, vores fremtidige undersøgelser vil fokusere på undersøgelser af afkoblingsdesign uden brug af membraner, "Sagde professor Zhong.

© 2020 Science X Network