تعد بطاريات الزنك المائية بدائل واعدة لأبناء عمومتها من الليثيوم أيون ، لكنها تعاني من نفس المشاكل: تكوين التشعبات. تتشكل هذه الهياكل الشبيهة بالإبرة على سطح أنود الزنك وتنمو في الإلكتروليت ، مما يتسبب في قصر البطارية أو حتى اشتعالها في بعض الحالات. أظهر فريق من الباحثين في الصين الآن أن إضافة سكر المائدة العادي (السكروز) المعدل كيميائيًا بمجموعات الهيدروكسيل إلى الإلكتروليت يمكن أن يبطئ نمو تشعبات الزنك عن طريق تغيير بيئة المذيب. علاوة على ذلك ، يشكل السكروز أيضًا طبقة واقية على الأنود ويبطئ تآكله.
بطاريات الليثيوم أيون هي البطاريات الأكثر استخدامًا اليوم في الإلكترونيات المحمولة والمركبات الكهربائية ، ولكن الإلكتروليتات العضوية السامة والقابلة للاشتعال التي تحتوي عليها هي مصدر قلق. الليثيوم مكلف أيضًا مقارنة ببعض المعادن الأخرى الأكثر شيوعًا ، والإمداد العالمي ضحية لشكوك مختلفة. تعد بطاريات الزنك ، التي تتكون عادةً من إلكتروليتات مائية ، بديلاً جذابًا لأن الزنك أرخص وأقل سمية ويمكن إعادة تدويره بسهولة ومتوفر على نطاق أوسع من الليثيوم. لديهم أيضًا كثافة طاقة عالية ، بسعة محددة عالية (820 مللي أمبير / جرام و 5 مللي أمبير / سم3) وإمكانات الأكسدة والاختزال الملائمة (−0.76V مقابل قطب الهيدروجين القياسي) لأنود الزنك.
المشكلة هي أنه عند وجود أيون الزنك (Zn2+) ينخفض التركيز على سطح الأنود إلى الصفر ، وتبدأ التشعبات في النمو عليه. يؤدي وجود هذه الهياكل إلى تدهور الأداء الكهروكيميائي للبطارية ويمكن أن يكون خطيرًا إذا تركت دون رقابة.
تعديل بيئة المذيب
أظهرت الدراسات الحديثة أن تعديل بيئة المذيب (أو "هيكل الذوبان") عن طريق ، على سبيل المثال ، إدخال الأملاح أو تضمين عدد أقل من جزيئات الماء ، يمكن أن يزيد من سرعة الزنك.2+ تتحرك الأيونات استجابةً لمجال كهربائي وبالتالي تمنع نمو التغصنات. ومع ذلك ، فإن مثل هذه التعديلات تقلل للأسف الموصلية الأيونية لنظام البطارية ، مما يؤدي إلى ضعف الأداء العام.
في الدراسة الجديدة ، يقودها باحثون خبير في تكنولوجيا النانو مينان ليو ل جامعة العلوم والتكنولوجيا في الصين وجد أن إدخال مجموعات هيدروكسيل تحتوي على السكروز طريقة فعالة لتنظيم هيكل الذوبان للزنك2+ الأيونات ، مما يعزز السرعة التي تنتشر بها الأيونات دون تقليل الموصلية الأيونية. يمكن للسكروز أيضًا تثبيت المنحل بالكهرباء المائي بينما يمتص في نفس الوقت على أنود الزنك لتشكيل طبقة واقية عليه. يقولون إن هذا يعيق تآكل المنحل بالكهرباء على أنود الزنك.
يتفاعل السكروز مع مجموعات الهيدروكسيل بقوة مع الزنك2+ مقارنة بجزيئات الماء في الإلكتروليت ، "يشرح ليو. وبالتالي يمكن أن تحل محل بعض جزيئات الماء والتنسيق مع الزنك2+، وبالتالي تنظيم هيكل الذوبان للأيونات. "
خفض تشكيل التغصنات
”تم تعديل Zn2+ إن بنية الذوبان لها تأثير مهم على حركية الأيونات ، بما في ذلك معدل انتشارها عبر الإلكتروليت ، " عالم الفيزياء. "تظهر نتائجنا التجريبية بوضوح أن عدد تحويل الزنك2+ تزداد الأيونات مع إدخال السكروز. تساعد هذه الحركة المعززة للأيونات في تقليل تكوين التشعبات كما هو مذكور ".
الملح الصناعي يجعل بطارية الزنك أكثر أمانًا واستدامة
وفقًا للباحثين ، يمكن أن تساعد تقنيتهم العلماء على تطوير بطاريات Zn عالية الأداء وتجلب بطارية Zn آمنة وصديقة للبيئة أقرب إلى الواقع.
بالنظر إلى المستقبل ، يقول ليو وزملاؤه إنهم يخططون للتركيز على تطوير إلكتروليتات ذات موصلية أيونية جيدة تعمل في درجات حرارة منخفضة. هم بالتفصيل دراستهم الحالية في نانو للأبحاث.
