Vesipitoiset sinkkiakut ovat lupaavia vaihtoehtoja litiumioniakkuilleen, mutta ne kärsivät yhdestä samasta ongelmasta: dendriittien muodostumisesta. Nämä neulamaiset rakenteet muodostuvat sinkkianodin pinnalle ja kasvavat elektrolyytiksi aiheuttaen akun oikosulun tai joissain tapauksissa jopa syttymisen. Kiinalainen tutkijaryhmä on nyt osoittanut, että tavallisen, kemiallisesti hydroksyyliryhmillä muunnetun pöytäsokerin (sakkaroosin) lisääminen elektrolyyttiin voi hidastaa sinkkidendriittien kasvua muuttamalla liuotinympäristöä. Lisäksi sakkaroosi muodostaa anodille suojaavan pinnoitteen ja hidastaa sen korroosiota.
Litiumioniakut ovat nykyään eniten käytettyjä akkuja kannettavissa elektroniikassa ja sähköajoneuvoissa, mutta niiden sisältämät syttyvät ja myrkylliset orgaaniset elektrolyytit ovat huolestuttavia. Litium on myös kallista verrattuna joihinkin muihin, yleisempiin metalleihin, ja maailmanlaajuinen tarjonta on erilaisten epävarmuustekijöiden uhri. Sinkkiparistot, jotka tavallisesti muodostetaan vesipitoisista elektrolyyteistä, ovat houkutteleva korvike, koska sinkki on halvempaa, vähemmän myrkyllistä, helpommin kierrätettävää ja laajemmin saatavilla kuin litium. Niillä on myös korkea energiatiheys ja korkea ominaiskapasiteetti (820 mAh/g ja 5 855 mAh/cm3) ja Zn-anodin suotuisa redox-potentiaali (-0.76 V verrattuna tavalliseen vetyelektrodiin).
Ongelmana on, että kun sinkki-ioni (Zn2+) pitoisuus anodin pinnalla putoaa nollaan, dendriittejä alkaa kasvaa sille. Näiden rakenteiden esiintyminen heikentää akun sähkökemiallista suorituskykyä ja voi olla vaarallista, jos sitä ei valvota.
Liuotinympäristön muuttaminen
Viimeaikaiset tutkimukset ovat osoittaneet, että liuotinympäristön (tai "solvataatiorakenteen") muuttaminen esimerkiksi lisäämällä suoloja tai sisällyttämällä siihen vähemmän vesimolekyylejä voi lisätä nopeutta, jolla Zn2+ ionit liikkuvat vasteena sähkökenttään ja siten estävät dendriitin kasvua. Tällaiset säädöt kuitenkin valitettavasti vähentävät akkujärjestelmän ioninjohtavuutta, mikä johtaa huonompaan yleiseen suorituskykyyn.
Uudessa tutkimuksessa nanoteknologian asiantuntijan johtamia tutkijoita Meinan Liu että Kiinan tiede- ja teknologiayliopisto havaitsi, että sakkaroosia sisältävien hydroksyyliryhmien lisääminen on tehokas tapa säädellä Zn:n solvataatiorakennetta2+ ioneja, mikä lisää ionien etenemisnopeutta heikentämättä ioninjohtavuutta. Sakkaroosi voi myös stabiloida vesipitoista elektrolyyttiä samalla, kun se imeytyy Zn-anodille muodostaen sille suojakerroksen. Tämä estää Zn-anodin elektrolyytin korroosiota, he sanovat.
"Hydroksyyliryhmiä sisältävä sakkaroosi vuorovaikuttaa voimakkaasti Zn:n kanssa2+ verrattuna elektrolyytissä oleviin vesimolekyyleihin”, Liu selittää. "Siksi se voi korvata osan vesimolekyylistä ja koordinoida Zn:n kanssa2+, mikä säätelee ionien solvataatiorakennetta."
Dendriitin muodostuminen vähentynyt
"Modifioitu Zn2+ Solvataatiorakenteella on tärkeä vaikutus ionien kinetiikkaan, mukaan lukien nopeuteen, jolla ne diffundoituvat elektrolyytin läpi", hän kertoo. Fysiikan maailma. ”Kokeelliset tulokset osoittavat selvästi, että Zn:n siirtoluku2+ ionien määrä lisääntyy sakkaroosin käyttöönoton myötä. Tämä ionien lisääntynyt liikkuvuus auttaa vähentämään dendriittien muodostumista, kuten mainittiin."
Teollisuussuola tekee turvallisemman ja kestävämmän sinkkipariston
Tutkijoiden mukaan heidän tekniikkansa voisi auttaa tutkijoita kehittämään korkean suorituskyvyn Zn-akkuja ja tuomaan turvallisen, ympäristöystävällisen Zn-akun lähemmäksi todellisuutta.
Tulevaisuudessa Liu ja kollegat sanovat aikovansa keskittyä sellaisten elektrolyyttien kehittämiseen, joilla on hyvä ionijohtavuus ja jotka toimivat alemmissa lämpötiloissa. He yksityiskohtaisesti nykyisen tutkimuksensa Nanotutkimus.
