Οι μπαταρίες υδατικού ψευδαργύρου είναι πολλά υποσχόμενες εναλλακτικές λύσεις στα ξαδέρφια τους ιόντων λιθίου, αλλά υποφέρουν από ένα από τα ίδια προβλήματα: τον σχηματισμό δενδριτών. Αυτές οι βελονοειδείς δομές σχηματίζονται στην επιφάνεια της ανόδου ψευδαργύρου και αναπτύσσονται στον ηλεκτρολύτη, προκαλώντας βραχυκύκλωμα ή, σε ορισμένες περιπτώσεις, ακόμη και ανάφλεξη της μπαταρίας. Μια ομάδα ερευνητών στην Κίνα έδειξε τώρα ότι η προσθήκη συνηθισμένης επιτραπέζιας ζάχαρης (σακχαρόζης) χημικά τροποποιημένης με ομάδες υδροξυλίου στον ηλεκτρολύτη μπορεί να επιβραδύνει την ανάπτυξη των δενδριτών ψευδαργύρου αλλάζοντας το περιβάλλον του διαλύτη. Επιπλέον, η σακχαρόζη σχηματίζει επίσης μια προστατευτική επικάλυψη στην άνοδο και επιβραδύνει τη διάβρωσή της.
Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου είναι οι πιο ευρέως χρησιμοποιούμενες μπαταρίες σήμερα σε φορητά ηλεκτρονικά και ηλεκτρικά οχήματα, αλλά οι εύφλεκτοι και τοξικοί οργανικοί ηλεκτρολύτες που περιέχουν προκαλούν ανησυχία. Το λίθιο είναι επίσης ακριβό σε σύγκριση με ορισμένα άλλα, πιο κοινά μέταλλα, και η παγκόσμια προσφορά είναι θύμα διαφόρων αβεβαιοτήτων. Οι μπαταρίες ψευδαργύρου, οι οποίες συνήθως σχηματίζονται με υδατικούς ηλεκτρολύτες, είναι ένα ελκυστικό υποκατάστατο επειδή ο ψευδάργυρος είναι φθηνότερος, λιγότερο τοξικός, πιο εύκολα ανακυκλώσιμος και πιο ευρέως διαθέσιμος από το λίθιο. Έχουν επίσης υψηλή ενεργειακή πυκνότητα, με υψηλή ειδική χωρητικότητα (820 mAh/g και 5 855 mAh/cm3) και ένα ευνοϊκό δυναμικό οξειδοαναγωγής (−0.76V έναντι του τυπικού ηλεκτροδίου υδρογόνου) της ανόδου Zn.
Το πρόβλημα είναι ότι όταν το ιόν ψευδάργυρου (Zn2+) η συγκέντρωση στην επιφάνεια της ανόδου πέφτει στο μηδέν, οι δενδρίτες αρχίζουν να αναπτύσσονται πάνω της. Η παρουσία αυτών των δομών προκαλεί επιδείνωση της ηλεκτροχημικής απόδοσης της μπαταρίας και μπορεί να είναι επικίνδυνη εάν αφεθεί ανεξέλεγκτη.
Τροποποίηση του περιβάλλοντος του διαλύτη
Πρόσφατες μελέτες έχουν δείξει ότι η τροποποίηση του περιβάλλοντος του διαλύτη (ή της «δομής διαλυτοποίησης») με, για παράδειγμα, την εισαγωγή αλάτων ή τη συμπερίληψη λιγότερων μορίων νερού, μπορεί να αυξήσει την ταχύτητα με την οποία ο Zn2+ Τα ιόντα κινούνται ως απόκριση σε ένα ηλεκτρικό πεδίο και επομένως καταστέλλουν την ανάπτυξη δενδριτών. Ωστόσο, τέτοιες ρυθμίσεις δυστυχώς μειώνουν την ιοντική αγωγιμότητα του συστήματος μπαταρίας, οδηγώντας σε φτωχότερη συνολική απόδοση.
Στη νέα μελέτη, οι ερευνητές με επικεφαλής τον ειδικό στη νανοτεχνολογία Meinan Liu του Πανεπιστήμιο Επιστημών και Τεχνολογίας της Κίνας διαπίστωσε ότι η εισαγωγή υδροξυλομάδων που περιέχουν σακχαρόζη είναι ένας αποτελεσματικός τρόπος ρύθμισης της δομής διαλυτοποίησης του Zn2+ ιόντων, γεγονός που ενισχύει την ταχύτητα με την οποία τα ιόντα διαδίδονται χωρίς να μειώνεται η ιοντική αγωγιμότητα. Η σακχαρόζη μπορεί επίσης να σταθεροποιήσει τον υδατικό ηλεκτρολύτη ενώ ταυτόχρονα απορροφάται στην άνοδο Zn για να σχηματίσει ένα προστατευτικό στρώμα πάνω του. Αυτό εμποδίζει τη διάβρωση του ηλεκτρολύτη στην άνοδο Zn, λένε.
«Η σακχαρόζη με τις υδροξυλομάδες αλληλεπιδρά έντονα με τον Zn2+ σε σύγκριση με τα μόρια του νερού στον ηλεκτρολύτη», εξηγεί ο Liu. «Μπορεί επομένως να αντικαταστήσει μερικά από τα μόρια του νερού και να συντονιστεί με τον Zn2+, ρυθμίζοντας έτσι τη δομή διαλυτοποίησης των ιόντων».
Μειώθηκε ο σχηματισμός δενδρίτη
«Ο τροποποιημένος Zn2+ Η δομή της διαλυτοποίησης έχει σημαντική επίδραση στην κινητική των ιόντων, συμπεριλαμβανομένου του ρυθμού με τον οποίο διαχέονται μέσω του ηλεκτρολύτη», λέει. Κόσμος Φυσικής. «Τα πειραματικά μας αποτελέσματα δείχνουν ξεκάθαρα ότι ο αριθμός μεταφοράς του Zn2+ τα ιόντα αυξάνονται με την εισαγωγή σακχαρόζης. Αυτή η ενισχυμένη κινητικότητα των ιόντων συμβάλλει στη μείωση του σχηματισμού δενδριτών όπως αναφέρθηκε».
Το βιομηχανικό αλάτι κάνει μια ασφαλέστερη και πιο βιώσιμη μπαταρία ψευδαργύρου
Σύμφωνα με τους ερευνητές, η τεχνική τους θα μπορούσε να βοηθήσει τους επιστήμονες να αναπτύξουν μπαταρίες Zn υψηλής απόδοσης και φέρνει μια ασφαλή, φιλική προς το περιβάλλον, μπαταρία Zn πιο κοντά στην πραγματικότητα.
Κοιτάζοντας το μέλλον, ο Liu και οι συνεργάτες του λένε ότι σκοπεύουν να επικεντρωθούν στην ανάπτυξη ηλεκτρολυτών με καλή ιοντική αγωγιμότητα που λειτουργούν σε χαμηλότερες θερμοκρασίες. Αναλυτικά η παρούσα μελέτη τους στο Νανο Έρευνα.
