Sesendok gula membuat dendrit turun

Baterai seng berair adalah alternatif yang menjanjikan untuk sepupu lithium-ion mereka, tetapi mereka menderita salah satu masalah yang sama: pembentukan dendrit. Struktur seperti jarum ini terbentuk di permukaan anoda seng dan tumbuh ke dalam elektrolit, menyebabkan baterai menjadi pendek atau, dalam beberapa kasus, bahkan menyala. Sebuah tim peneliti di China kini telah menunjukkan bahwa menambahkan gula meja biasa (sukrosa) yang dimodifikasi secara kimia dengan gugus hidroksil ke elektrolit dapat memperlambat pertumbuhan dendrit seng dengan mengubah lingkungan pelarut. Terlebih lagi, sukrosa juga membentuk lapisan pelindung pada anoda dan memperlambat korosinya.

Baterai lithium-ion adalah baterai yang paling banyak digunakan saat ini di elektronik portabel dan kendaraan listrik, tetapi elektrolit organik yang mudah terbakar dan beracun yang dikandungnya menjadi perhatian. Lithium juga mahal dibandingkan dengan beberapa logam lain yang lebih umum, dan pasokan global menjadi korban berbagai ketidakpastian. Baterai seng, yang biasanya dibentuk dengan elektrolit berair, merupakan pengganti yang menarik karena seng lebih murah, kurang beracun, lebih mudah didaur ulang dan lebih banyak tersedia daripada lithium. Mereka juga memiliki kepadatan energi yang tinggi, dengan kapasitas spesifik yang tinggi (820 mAh/g dan 5 mAh/cm³) dan potensial redoks yang menguntungkan (−0.76V versus elektroda hidrogen standar) dari anoda Zn.

Masalahnya adalah ketika ion seng (Zn²⁺) konsentrasi pada permukaan anoda turun menjadi nol, dendrit mulai tumbuh di atasnya. Kehadiran struktur ini menyebabkan kinerja elektrokimia baterai memburuk dan dapat berbahaya jika dibiarkan tidak terkendali.

Memodifikasi lingkungan pelarut

Studi terbaru menunjukkan bahwa memodifikasi lingkungan pelarut (atau "struktur solvasi") dengan, misalnya, memasukkan garam atau memasukkan lebih sedikit molekul air, dapat meningkatkan kecepatan di mana Zn²⁺ ion bergerak dalam menanggapi medan listrik dan karena itu menekan pertumbuhan dendrit. Namun, penyesuaian tersebut sayangnya menurunkan konduktivitas ionik dari sistem baterai, yang menyebabkan kinerja keseluruhan yang lebih buruk.

Dalam studi baru, para peneliti yang dipimpin oleh ahli nanoteknologi Meinan Liu dari Universitas Sains dan Teknologi Cina menemukan bahwa memasukkan gugus hidroksil yang mengandung sukrosa adalah cara yang efektif untuk mengatur struktur solvasi Zn²⁺ ion, yang meningkatkan kecepatan di mana ion menyebar tanpa mengurangi konduktivitas ionik. Sukrosa juga dapat menstabilkan elektrolit berair sementara pada saat yang sama menyerap ke anoda Zn untuk membentuk lapisan pelindung di atasnya. Ini menghambat korosi elektrolit pada anoda Zn, kata mereka.

Sukrosa dengan gugus hidroksil berinteraksi kuat dengan Zn²⁺ dibandingkan dengan molekul air dalam elektrolit,” jelas Liu. “Oleh karena itu dapat menggantikan beberapa molekul air dan berkoordinasi dengan Zn .²⁺, jadi mengatur struktur solvasi ion.”

Pembentukan dendrit berkurang

“Zn . yang dimodifikasi²⁺ struktur solvasi memiliki pengaruh penting pada kinetika ion, termasuk tingkat di mana mereka berdifusi melalui elektrolit, ”katanya Dunia Fisika. “Hasil eksperimen kami dengan jelas menunjukkan bahwa jumlah transferensi Zn²⁺ ion meningkat dengan pengenalan sukrosa. Mobilitas ion yang ditingkatkan ini membantu mengurangi pembentukan dendrit seperti yang disebutkan.”

Menurut para peneliti, teknik mereka dapat membantu para ilmuwan mengembangkan baterai Zn berkinerja tinggi dan membawa baterai Zn yang aman dan ramah lingkungan mendekati kenyataan.

Ke depan, Liu dan rekan mengatakan mereka berencana untuk fokus pada pengembangan elektrolit dengan konduktivitas ionik yang baik yang bekerja pada suhu yang lebih rendah. Mereka merinci studi mereka saat ini di Riset Nano.