Vandige zinkbatterier er lovende alternativer til deres lithium-ion-fætre, men de lider af et af de samme problemer: dannelsen af dendritter. Disse nålelignende strukturer dannes på overfladen af zinkanoden og vokser ind i elektrolytten, hvilket får batteriet til at kortslutte eller i nogle tilfælde endda antænde. Et hold forskere i Kina har nu vist, at tilsætning af almindeligt spisesukker (saccharose) kemisk modificeret med hydroxylgrupper til elektrolytten kan bremse væksten af zinkdendritter ved at ændre opløsningsmiddelmiljøet. Desuden danner saccharosen også en beskyttende belægning på anoden og bremser dens korrosion.
Lithium-ion-batterier er de mest udbredte batterier i dag i bærbar elektronik og elektriske køretøjer, men de brændbare og giftige organiske elektrolytter, de indeholder, giver anledning til bekymring. Lithium er også dyrt sammenlignet med nogle andre, mere almindelige metaller, og det globale udbud er offer for forskellige usikkerheder. Zinkbatterier, som normalt dannes med vandige elektrolytter, er en attraktiv erstatning, fordi zink er billigere, mindre giftigt, lettere genanvendeligt og mere tilgængeligt end lithium. De har også en høj energitæthed med en høj specifik kapacitet (820 mAh/g og 5 855 mAh/cm3) og et gunstigt redoxpotentiale (-0.76V versus standard brintelektroden) af Zn-anoden.
Problemet er, at når zinkionen (Zn2+) koncentrationen på overfladen af anoden falder til nul, dendritter begynder at vokse på den. Tilstedeværelsen af disse strukturer får batteriets elektrokemiske ydeevne til at forringes og kan være farligt, hvis det efterlades ukontrolleret.
Ændring af opløsningsmiddelmiljøet
Nylige undersøgelser har vist, at ændring af opløsningsmiddelmiljøet (eller "solvatiseringsstrukturen") ved for eksempel at introducere salte eller inkludere færre vandmolekyler, kan øge den hastighed, hvormed Zn2+ ioner bevæger sig som reaktion på et elektrisk felt og undertrykker derfor dendritvækst. Sådanne justeringer reducerer desværre batterisystemets ioniske ledningsevne, hvilket fører til dårligere generel ydeevne.
I den nye undersøgelse, forskere ledet af nanoteknologi ekspert Meinan Liu af Kinas universitet for videnskab og teknologi fandt ud af, at introduktion af saccharoseholdige hydroxylgrupper er en effektiv måde at regulere solvatiseringsstrukturen af Zn på2+ ioner, hvilket øger den hastighed, hvormed ionerne forplanter sig uden at formindske ionisk ledningsevne. Saccharosen kan også stabilisere den vandige elektrolyt, mens den på samme tid absorberes på Zn-anoden for at danne et beskyttende lag på den. Dette hæmmer korrosion af elektrolytten på Zn-anoden, siger de.
"Saccharose med hydroxylgrupper interagerer stærkt med Zn2+ sammenlignet med vandmolekyler i elektrolytten,” forklarer Liu. ”Den kan derfor erstatte nogle af vandmolekylerne og koordinere med Zn2+, så regulering af solvatiseringsstrukturen af ionerne."
Dendritdannelse reduceret
"Den modificerede Zn2+ solvatiseringsstrukturen har en vigtig indflydelse på ionernes kinetik, herunder den hastighed, hvormed de diffunderer gennem elektrolytten,” fortæller hun. Fysik verden. "Vores eksperimentelle resultater viser tydeligt, at overførselstallet for Zn2+ ioner stiger med introduktionen af saccharose. Denne øgede mobilitet af ionerne hjælper med at reducere dannelsen af dendritter som nævnt."
Industrielt salt gør et sikrere og mere bæredygtigt zinkbatteri
Ifølge forskerne kunne deres teknik hjælpe forskere med at udvikle højtydende Zn-batterier og bringe et sikkert, miljøvenligt Zn-batteri tættere på virkeligheden.
Når man ser fremad, siger Liu og kolleger, at de planlægger at fokusere på at udvikle elektrolytter med god ionisk ledningsevne, der virker ved lavere temperaturer. De beskriver deres nuværende undersøgelse i Nano forskning.
