수성 아연 배터리는 리튬 이온 배터리에 대한 유망한 대안이지만 동일한 문제 중 하나인 수상돌기 형성이라는 문제를 안고 있습니다. 이러한 바늘 모양의 구조는 아연 양극 표면에 형성되어 전해질로 성장하여 배터리가 단락되거나 경우에 따라 발화되기도 합니다. 중국 연구진은 수산기로 화학적으로 변형된 일반 설탕(자당)을 전해질에 첨가하면 용매 환경을 변화시켜 아연 수상돌기의 성장을 늦출 수 있음을 보여주었습니다. 더욱이, 자당은 양극에 보호 코팅을 형성하여 부식 속도를 늦춥니다.
리튬 이온 배터리는 오늘날 휴대용 전자 제품 및 전기 자동차에 가장 널리 사용되는 배터리이지만, 여기에 포함된 가연성 및 독성 유기 전해질은 우려의 원인입니다. 리튬은 또한 다른 일반적인 금속에 비해 가격이 비싸며 전 세계 공급량은 다양한 불확실성으로 인해 피해를 입고 있습니다. 일반적으로 수성 전해질로 구성되는 아연 배터리는 아연이 리튬보다 저렴하고 독성이 적으며 재활용이 더 쉽고 널리 사용 가능하기 때문에 매력적인 대체 배터리입니다. 또한 높은 비용량(820mAh/g 및 5mAh/cm)으로 에너지 밀도가 높습니다.3) 및 Zn 양극의 유리한 산화환원 전위(표준 수소 전극 대비 -0.76V).
문제는 아연이온(Zn)이2+) 양극 표면의 농도가 XNUMX으로 떨어지면 수상 돌기가 그 위에서 자라기 시작합니다. 이러한 구조로 인해 배터리의 전기화학적 성능이 저하되고 제어하지 않고 방치하면 위험할 수 있습니다.
용매 환경 수정
최근 연구에 따르면 염을 도입하거나 물 분자를 더 적게 포함하는 등 용매 환경(또는 "용매화 구조")을 수정하면 아연이 산화되는 속도를 높일 수 있는 것으로 나타났습니다.2+ 이온은 전기장에 반응하여 움직이므로 수상돌기 성장을 억제합니다. 그러나 이러한 조정은 불행하게도 배터리 시스템의 이온 전도도를 감소시켜 전반적인 성능을 저하시킵니다.
새로운 연구에서는 나노기술 전문가가 이끄는 연구진이 메이난 리우 의 중국 과학 기술 대학교 수산기를 함유한 수크로스를 도입하는 것이 Zn의 용매화 구조를 조절하는 효과적인 방법이라는 것을 발견했습니다.2+ 이온 전도도를 감소시키지 않으면서 이온이 전파되는 속도를 향상시키는 이온입니다. 수크로스는 또한 수성 전해질을 안정화하는 동시에 Zn 양극에 흡수되어 보호 층을 형성할 수 있습니다. 이는 Zn 양극의 전해질 부식을 방해한다고 그들은 말합니다.
“수산기를 가진 자당은 Zn과 강력하게 상호작용합니다.2+ 전해질의 물 분자와 비교됩니다.”라고 Liu는 설명합니다. “따라서 물 분자의 일부를 대체하고 Zn과 배위 결합할 수 있습니다.2+, 그래서 이온의 용매화 구조를 조절합니다.”
수상돌기 형성 감소
“수정된 Zn2+ 용매화 구조는 전해질을 통해 확산되는 속도를 포함하여 이온의 동역학에 중요한 영향을 미칩니다.”라고 그녀는 말합니다. 물리 세계. “우리의 실험 결과는 Zn의 전이 수가2+ 자당을 첨가하면 이온이 증가합니다. 이온의 이러한 향상된 이동성은 언급한 바와 같이 수상돌기의 형성을 줄이는 데 도움이 됩니다."
산업용 소금으로 더욱 안전하고 지속 가능한 아연 배터리 만들기
연구원들에 따르면, 그들의 기술은 과학자들이 고성능 Zn 배터리를 개발하는 데 도움이 될 수 있으며 안전하고 환경 친화적인 Zn 배터리를 현실화하는 데 더 가까워질 수 있습니다.
앞으로 Liu와 동료들은 낮은 온도에서 작동하는 우수한 이온 전도도를 갖춘 전해질 개발에 집중할 계획이라고 말했습니다. 그들은 현재 연구를 자세히 설명합니다. 나노 연구.
