A vizes cink akkumulátorok ígéretes alternatívák lítium-ion rokonaik helyett, de ugyanazzal a problémával küzdenek: a dendritek képződésével. Ezek a tűszerű struktúrák a cink anód felületén alakulnak ki, és belenőnek az elektrolitba, aminek következtében az akkumulátor rövidre zár, vagy esetenként meg is gyullad. Egy kínai kutatócsoport most kimutatta, hogy a hidroxilcsoportokkal kémiailag módosított közönséges asztali cukor (szacharóz) elektrolithoz való hozzáadása az oldószer környezet megváltoztatásával lelassíthatja a cink-dendritek növekedését. Ráadásul a szacharóz védőbevonatot képez az anódon, és lassítja annak korrózióját.
A lítium-ion akkumulátorok ma a legszélesebb körben alkalmazott akkumulátorok a hordozható elektronikai és elektromos járművekben, de a bennük lévő gyúlékony és mérgező szerves elektrolitok aggodalomra adnak okot. A lítium emellett drága néhány más, elterjedtebb fémhez képest, és a globális kínálat különféle bizonytalanságok áldozata. A cinkelemek, amelyeket általában vizes elektrolitokkal állítanak elő, vonzó helyettesítők, mivel a cink olcsóbb, kevésbé mérgező, könnyebben újrahasznosítható és szélesebb körben hozzáférhető, mint a lítium. Emellett nagy energiasűrűséggel és nagy fajlagos kapacitással rendelkeznek (820 mAh/g és 5 mAh/cm).3) és a Zn anód kedvező redoxpotenciálja (-0.76 V a standard hidrogénelektróddal szemben).
A probléma az, hogy amikor a cinkion (Zn2+) az anód felületén a koncentráció nullára csökken, dendritek kezdenek növekedni rajta. Ezeknek a szerkezeteknek a jelenléte az akkumulátor elektrokémiai teljesítményének romlását okozza, és veszélyes lehet, ha ellenőrizetlenül hagyják.
Az oldószer környezetének módosítása
A legújabb tanulmányok kimutatták, hogy az oldószerkörnyezet (vagy „szolvatációs szerkezet”) módosítása például sók bevitelével vagy kevesebb vízmolekulával növelheti a Zn sebességét.2+ Az ionok elektromos tér hatására mozognak, és ezért elnyomják a dendrit növekedését. Az ilyen beállítások azonban sajnos csökkentik az akkumulátorrendszer ionvezetőképességét, ami gyengébb általános teljesítményt eredményez.
Az új tanulmányban nanotechnológiai szakértő által vezetett kutatók Meinan Liu az Kínai Tudományos és Technológiai Egyetem megállapította, hogy a szacharózt tartalmazó hidroxilcsoportok bevezetése hatékony módja a cink szolvatációs szerkezetének szabályozásának.2+ ionok, ami növeli az ionok terjedési sebességét az ionvezetőképesség csökkenése nélkül. A szacharóz stabilizálni tudja a vizes elektrolitot is, ugyanakkor felszívódik a Zn anódra, és védőréteget képez rajta. Ez akadályozza az elektrolit korrózióját a Zn anódon, mondják.
„A hidroxilcsoportokat tartalmazó szacharóz erős kölcsönhatásba lép a cinkkel2+ az elektrolitban lévő vízmolekulákhoz képest” – magyarázza Liu. „Ezért képes helyettesíteni a vízmolekulák egy részét, és koordinálni a cinkkel2+, így szabályozva az ionok szolvatációs szerkezetét."
A dendritképződés csökken
„A módosított Zn2+ A szolvatációs szerkezet nagyban befolyásolja az ionok kinetikáját, beleértve azt a sebességet, amellyel az elektroliton keresztül diffundálnak” – mondja. Fizika Világa. „Kísérleti eredményeink egyértelműen bizonyítják, hogy a Zn transzferszáma2+ szacharóz bevezetésével nő az ionok mennyisége. Az ionok fokozott mobilitása segít csökkenteni a dendritek képződését, ahogy már említettük.
Az ipari só biztonságosabb és fenntarthatóbb cinkelemet tesz lehetővé
A kutatók szerint technikájuk segíthet a tudósoknak nagy teljesítményű Zn akkumulátorok kifejlesztésében, és közelebb hozhat egy biztonságos, környezetbarát Zn akkumulátort a valósághoz.
A jövőre nézve Liu és munkatársai azt mondják, hogy jó ionvezetőképességű, alacsonyabb hőmérsékleten működő elektrolitok kifejlesztésére összpontosítanak. Ebben részletezik jelen tanulmányukat Nano kutatás.
