Waterige zinkbatterijen zijn veelbelovende alternatieven voor hun lithium-ion-neven, maar ze lijden aan een van dezelfde problemen: de vorming van dendrieten. Deze naaldachtige structuren vormen zich op het oppervlak van de zinkanode en groeien in de elektrolyt, waardoor de batterij kortsluiting maakt of in sommige gevallen zelfs ontbrandt. Een team van onderzoekers in China heeft nu aangetoond dat het toevoegen van gewone tafelsuiker (sucrose), chemisch gemodificeerd met hydroxylgroepen, aan de elektrolyt de groei van zinkdendrieten kan vertragen door de oplosmiddelomgeving te veranderen. Bovendien vormt de sucrose ook een beschermende laag op de anode en vertraagt het de corrosie ervan.
Lithium-ionbatterijen zijn tegenwoordig de meest gebruikte batterijen in draagbare elektronica en elektrische voertuigen, maar de ontvlambare en giftige organische elektrolyten die ze bevatten, zijn reden tot bezorgdheid. Lithium is ook duur in vergelijking met sommige andere, meer gebruikelijke metalen, en het wereldwijde aanbod is het slachtoffer van verschillende onzekerheden. Zinkbatterijen, die normaal gesproken worden gevormd met waterige elektrolyten, zijn een aantrekkelijk alternatief omdat zink goedkoper, minder giftig, gemakkelijker te recyclen en ruimer verkrijgbaar is dan lithium. Ze hebben ook een hoge energiedichtheid, met een hoge specifieke capaciteit (820 mAh/g en 5 855 mAh/cm3) en een gunstige redoxpotentiaal (−0.76V versus de standaard waterstofelektrode) van de Zn-anode.
Het probleem is dat wanneer het zinkion (Zn2+) concentratie op het oppervlak van de anode daalt tot nul, dendrieten beginnen erop te groeien. De aanwezigheid van deze structuren zorgt ervoor dat de elektrochemische prestatie van de batterij verslechtert en kan gevaarlijk zijn als deze niet onder controle wordt gehouden.
De oplosmiddelomgeving wijzigen
Recente studies hebben aangetoond dat het wijzigen van de oplosmiddelomgeving (of "solvatatiestructuur") door bijvoorbeeld zouten te introduceren of minder watermoleculen op te nemen, de snelheid kan verhogen waarmee Zn2+ ionen bewegen in reactie op een elektrisch veld en onderdrukken daarom dendrietgroei. Dergelijke aanpassingen verminderen helaas de ionische geleidbaarheid van het batterijsysteem, wat leidt tot slechtere algemene prestaties.
In de nieuwe studie hebben onderzoekers onder leiding van nanotechnologie-expert Meinan Liu van de Universiteit voor Wetenschap en Technologie van China ontdekte dat het introduceren van sucrose met hydroxylgroepen een effectieve manier is om de solvatatiestructuur van Zn . te reguleren2+ ionen, wat de snelheid verhoogt waarmee de ionen zich voortplanten zonder de ionische geleidbaarheid te verminderen. De sucrose kan ook de waterige elektrolyt stabiliseren en tegelijkertijd absorberen op de Zn-anode om er een beschermende laag op te vormen. Dit belemmert de corrosie van het elektrolyt op de Zn-anode, zeggen ze.
"Sucrose met hydroxylgroepen interageert sterk met Zn2+ vergeleken met watermoleculen in de elektrolyt”, legt Liu uit. "Het kan daarom enkele van de watermoleculen vervangen en coördineren met Zn2+, waardoor de solvatatiestructuur van de ionen wordt gereguleerd.”
Dendrietvorming verminderd
“De gemodificeerde Zn2+ solvatatiestructuur heeft een belangrijke invloed op de kinetiek van de ionen, inclusief de snelheid waarmee ze door de elektrolyt diffunderen,” vertelt ze. Natuurkunde wereld. "Onze experimentele resultaten tonen duidelijk aan dat het overdrachtsgetal van Zn2+ ionen neemt toe met de introductie van sucrose. Deze verbeterde mobiliteit van de ionen helpt de vorming van dendrieten te verminderen, zoals vermeld.
Industrieel zout maakt een veiligere en duurzamere zinkbatterij
Volgens de onderzoekers zou hun techniek wetenschappers kunnen helpen bij het ontwikkelen van hoogwaardige Zn-batterijen en brengt het een veilige, milieuvriendelijke Zn-batterij dichter bij de realiteit.
Vooruitkijkend zeggen Liu en collega's dat ze van plan zijn zich te concentreren op het ontwikkelen van elektrolyten met een goede ionische geleidbaarheid die werken bij lagere temperaturen. Ze beschrijven hun huidige studie in Nano-onderzoek.
