水性亜鉛電池は、リチウムイオン電池の有望な代替品ですが、デンドライトの形成という同じ問題の XNUMX つに悩まされています。 これらの針状構造は、亜鉛アノードの表面に形成され、電解質に成長し、バッテリーをショートさせたり、場合によっては発火させたりします. 中国の研究者チームは、水酸基で化学的に修飾された普通のテーブルシュガー（スクロース）を電解質に加えると、溶媒環境を変えることで亜鉛デンドライトの成長を遅らせることができることを示しました. さらに、スクロースはアノードに保護コーティングを形成し、腐食を遅らせます。
リチウムイオン電池は、携帯電子機器や電気自動車で今日最も広く使用されている電池ですが、リチウムイオン電池に含まれる可燃性で有毒な有機電解質が懸念の原因となっています。 リチウムはまた、他のより一般的な金属に比べて高価であり、世界的な供給はさまざまな不確実性の犠牲になっています. 通常、水性電解質で形成される亜鉛電池は魅力的な代替品です。亜鉛はリチウムよりも安価で、毒性が低く、リサイクルが容易で、広く入手できるからです。 また、エネルギー密度が高く、比容量が大きい (820 mAh/g および 5 855 mAh/cm3）およびZnアノードの好ましい酸化還元電位（標準水素電極に対して-0.76V）。
問題は、亜鉛イオン (Zn2+）アノードの表面の濃度がゼロに低下し、デンドライトが成長し始めます。 これらの構造が存在すると、バッテリーの電気化学的性能が低下し、制御されないままにしておくと危険な場合があります。
溶媒環境の変更
最近の研究では、溶媒環境 (または「溶媒和構造」) を、たとえば塩を導入したり、含まれる水分子を少なくしたりして変更すると、Zn2+ イオンは電場に反応して移動し、デンドライトの成長を抑制します。 しかし、残念なことに、このような調整は電池システムのイオン伝導率を低下させ、全体的な性能の低下につながります。
新しい研究では、ナノテクノロジーの専門家が率いる研究者 劉美南 中国科学技術大学 水酸基を含むスクロースの導入が、Zn の溶媒和構造を制御する効果的な方法であることを発見しました。2+ これにより、イオン伝導率を低下させることなく、イオンの伝播速度が向上します。 スクロースはまた、水性電解質を安定化させると同時に、Zn アノードに吸収されて保護層を形成します。 これにより、Zn アノード上の電解質の腐食が妨げられると彼らは言います。
「水酸基を持つスクロースはZnと強く相互作用する2+ Liu は説明します。 「したがって、水分子の一部を置換し、Zn と配位することができます。2+、イオンの溶媒和構造を調節します。」
デンドライト形成の減少
「修正されたZn2+ 溶媒和構造は、イオンが電解質を介して拡散する速度など、イオンの動力学に重要な影響を与えます」と彼女は言います。 物理学の世界. 「私たちの実験結果は、Zn の輸率が2+ イオンはショ糖の導入で増加します。 前述のように、イオンのこの強化された移動度は、デンドライトの形成を減らすのに役立ちます。」
工業用塩は、より安全で持続可能な亜鉛電池を作ります
研究者によると、彼らの技術は、科学者が高性能の亜鉛電池を開発するのに役立ち、安全で環境に優しい亜鉛電池を現実に近づけることができます。
今後、Liu らは、低温で機能する良好なイオン伝導性を備えた電解質の開発に注力する予定であると述べています。 彼らは現在の研究を詳述しています ナノリサーチ.
