Almindelig spisesukkernøgle til at afhjælpe sikkerhedsproblemer i vandige zinkbatterier

På grund af deres lave omkostninger og miljøvenlighed har vandige zinkbatterier potentialet til at spille en vigtig rolle i fremtidige energilagringssystemer til applikationer som elnet. Imidlertid har en sikkerhedsmæssig bekymring bremset udviklingen af ​​denne nye teknologi.

I en undersøgelse den 28. juli offentliggjort i Nano Research , præsenterede kinesiske forskere en løsning, der involverer kemisk modificering af almindeligt spisesukker for at stabilisere zinkionmiljøet og sikre fremtidige anvendelser.

Fra elbiler til vind- og solenergisystemer fortsætter et stadig mere forskelligartet udvalg af strømkrævende applikationer med at øge efterspørgslen efter storskala, billig energilagring. Vandige zink-batterier (Zn) steg hurtigt til toppen som en af ​​de mere lovende muligheder for bæredygtigt at imødekomme efterspørgslen, ifølge undersøgelsen.

"De er høj sikkerhed og omkostningseffektive sammenlignet med nuværende lithium-ion batterier med brændbare organiske elektrolytter," sagde papirforfatter Meinan Liu, lektor i nanoteknologi og nano-bionik ved University of Science and Technology i Kina. "Derudover præsenterer Zn-anode super høj teoretisk kapacitet, hvilket gør disse Zn-batterier endnu mere lovende til applikationer som fremtidig netenergilagring."

Men når zinkionen (Zn ²⁺ ) koncentrationen på overfladen af ​​anoden falder til nul, dendritter begynder at vokse. Ukontrolleret Zn-dendritvækst forringer den elektrokemiske ydeevne og udgør en alvorlig trussel mod sikker drift.

"Disse dendritter kan trænge ind i separatoren og få batteriet til at kortslutte," sagde Liu.

Tidligere undersøgelser har vist, at justering af opløsningsmiddelmiljøet (kaldet "solvatiseringsstruktur") kan øge mobiliteten af ​​Zn ²⁺ som reaktion på det elektriske felt med succes undertrykker væksten af ​​dendritter. Problemet var, at disse tidligere justeringer – som at introducere andre salte eller inkludere færre vandmolekyler – også endte med at reducere systemets ioniske ledningsevne.

Der var et grundlæggende forståelsesgab mellem Zn ²⁺ solvationsstruktur og dens mobilitet, forklaret af Liu. Dette var en nøglefaktor, der påvirkede dendritvæksten og stabiliteten af ​​Zn-anoden.

I et forsøg på at bygge bro over dette hul forsøgte et samarbejdende forskerhold fra flere kinesiske institutioner en ny måde:at indføre almindeligt bordsukker med flere hydroxylgrupper (en hydrogen og en oxygen bundet sammen) i elektrolytten for at justere solvatiseringsstrukturen af ​​Zn ^{2 +} .

Ved at udføre atomistiske simuleringer og eksperimenter bekræftede forskerholdet, at saccharosemolekylerne øgede mobiliteten og stoppede dendritvækst uden at kompromittere stabiliteten. Faktisk gav denne metode også uoverskuelige fordele:

"Fund bekræfter, at saccharosemolekyler i solvatiseringshylsteret ikke kun øger mobiliteten, hvilket sikrer hurtig Zn ²⁺ kinetik, men beskytter også Zn-anoden mod vandkorrosion og opnår med succes Zn-dendritfri aflejring og sidereaktionsundertrykkelse," sagde Liu.

Dette demonstrerer det store potentiale ved at bruge denne simple saccharose-modifikation til fremtidige højtydende zinkbatterier og bringer forskningsfeltet et skridt tættere på det ultimative mål om at opnå et sikkert, grønt højtydende Zn-batteri.

"Forhåbentlig kan dette sikre, billige Zn-batteri anvendes i netenergilagring," sagde Liu.

Denne teknik egner sig også til yderligere variationer og modifikationer:Zn-kulstofceller leverer højere energitæthed og forbedret stabilitet, hvilket tyder på en stor potentiel anvendelse af saccharose-modificerede elektrolytter til fremtidige Zn-batterier.

I fremtidige undersøgelser vil forskerne også overveje mulige anvendelsestilfælde og vejspærringer for vandige zinkbatterier, specifikt hvordan de kan håndtere ekstreme temperaturer.

"Den vandige elektrolyt fra Zn-batteriet vil blive frosset ved lav temperatur, så vi undersøger, hvordan vi kan håndtere temperaturens indflydelse på batteriets ydeevne," sagde Liu. + Udforsk yderligere

Forskere udvikler lavtemperaturbestandige vandige zinkbaserede batterier