סוללות אבץ מימיות הן חלופות מבטיחות לבני דודן הליתיום-יון, אך הן סובלות מאחת מאותן הבעיות: היווצרות דנדריטים. מבנים דמויי מחט אלו נוצרים על פני האנודת אבץ וגדלים לתוך האלקטרוליט, מה שגורם לקצר של הסוללה או, במקרים מסוימים, אפילו להתלקחות. צוות חוקרים בסין הראה כעת שהוספת סוכר שולחן רגיל (סוכרוז) שעבר שינוי כימי עם קבוצות הידרוקסיל לאלקטרוליט יכולה להאט את צמיחת הדנדריטים של אבץ על ידי שינוי סביבת הממס. מה שכן, הסוכרוז יוצר גם ציפוי מגן על האנודה ומאט את הקורוזיה שלה.
סוללות ליתיום-יון הן הסוללות הנפוצות ביותר כיום באלקטרוניקה ניידת ובכלי רכב חשמליים, אך האלקטרוליטים האורגניים הדליקים והרעילים שהם מכילים מהווים סיבה לדאגה. ליתיום גם יקר בהשוואה למתכות אחרות ונפוצות יותר, וההיצע העולמי קורבן לאי ודאויות שונות. סוללות אבץ, שנוצרות בדרך כלל עם אלקטרוליטים מימיים, מהוות תחליף אטרקטיבי מכיוון שאבץ זול יותר, פחות רעיל, ממוחזר בקלות רבה יותר וזמין יותר מאשר ליתיום. יש להם גם צפיפות אנרגיה גבוהה, עם קיבולת ספציפית גבוהה (820 mAh/g ו-5 mAh/cm3) ופוטנציאל חיזור נוח (-0.76V לעומת אלקטרודת המימן הסטנדרטית) של האנודה Zn.
הבעיה היא שכאשר יון האבץ (Zn2+) הריכוז על פני האנודה יורד לאפס, דנדריטים מתחילים לצמוח עליו. נוכחותם של מבנים אלו גורמת להתדרדרות הביצועים האלקטרוכימיים של הסוללה ועלולה להיות מסוכנת אם היא אינה מבוקרת.
שינוי סביבת הממס
מחקרים אחרונים הראו ששינוי סביבת הממס (או "מבנה הממס") על ידי, למשל, החדרת מלחים או הכללת פחות מולקולות מים, יכול להגביר את המהירות שבה Zn2+ יונים נעים בתגובה לשדה חשמלי ולכן מדכאים את צמיחת הדנדריטים. עם זאת, התאמות כאלה למרבה הצער מפחיתות את המוליכות היונית של מערכת הסוללות, מה שמוביל לביצועים כלליים גרועים יותר.
במחקר החדש, חוקרים בראשות מומחה ננוטכנולוגיה מינן ליו של אוניברסיטת המדע והטכנולוגיה של סין מצא שהחדרת סוכרוז המכילות קבוצות הידרוקסיל היא דרך יעילה לווסת את מבנה הפתרון של Zn2+ יונים, מה שמגביר את המהירות שבה היונים מתפשטים מבלי להפחית את המוליכות היונית. הסוכרוז יכול גם לייצב את האלקטרוליט המימי ובו בזמן נספג על האנודת Zn ליצירת שכבת הגנה עליה. זה מונע את קורוזיה של האלקטרוליט על האנודה Zn, הם אומרים.
"סוכרוז עם קבוצות הידרוקסיל מקיים אינטראקציה חזקה עם Zn2+ בהשוואה למולקולות מים באלקטרוליט", מסביר ליו. "לכן זה יכול להחליף חלק ממולקולות המים ולתאם עם Zn2+, כך מווסת את מבנה הפתרון של היונים."
היווצרות דנדריטים מופחתת
"הזן המשונה2+ למבנה הפתרון יש השפעה חשובה על הקינטיקה של היונים, כולל הקצב שבו הם מתפזרים דרך האלקטרוליט", היא אומרת. עולם הפיזיקה. "תוצאות הניסוי שלנו מוכיחות בבירור שמספר ההעברה של Zn2+ יונים גדלים עם החדרת סוכרוז. ניידות מוגברת זו של היונים עוזרת להפחית את היווצרות הדנדריטים כאמור".
מלח תעשייתי הופך סוללת אבץ בטוחה ובת קיימא יותר
לדברי החוקרים, הטכניקה שלהם יכולה לעזור למדענים לפתח סוללות Zn בעלות ביצועים גבוהים ולקרב סוללת Zn בטוחה וידידותית לסביבה למציאות.
במבט קדימה, ליו ועמיתיו אומרים שהם מתכננים להתמקד בפיתוח אלקטרוליטים עם מוליכות יונית טובה הפועלים בטמפרטורות נמוכות יותר. הם מפרטים את המחקר הנוכחי שלהם ב מחקר ננו.
