Bateriile cu zinc apos sunt alternative promitatoare la verii lor litiu-ion, dar sufera de una dintre aceleasi probleme: formarea dendritelor. Aceste structuri asemănătoare unui ac se formează pe suprafața anodului de zinc și cresc în electrolit, provocând scurtcircuitarea bateriei sau, în unele cazuri, chiar aprinderea. O echipă de cercetători din China a demonstrat acum că adăugarea zahărului obișnuit de masă (zaharoză) modificat chimic cu grupări hidroxil la electrolit poate încetini creșterea dendritelor de zinc prin schimbarea mediului solvent. În plus, zaharoza formează și un strat protector pe anod și încetinește coroziunea acestuia.
Bateriile cu litiu-ion sunt bateriile cele mai utilizate astăzi în electronicele portabile și vehiculele electrice, dar electroliții organici inflamabili și toxici pe care îi conțin sunt un motiv de îngrijorare. Litiul este, de asemenea, scump în comparație cu alte metale, mai comune, iar aprovizionarea globală este victima diferitelor incertitudini. Bateriile cu zinc, care se formează în mod normal cu electroliți apoși, sunt un înlocuitor atractiv, deoarece zincul este mai ieftin, mai puțin toxic, mai ușor de reciclat și mai accesibil decât litiul. De asemenea, au o densitate mare de energie, cu o capacitate specifică mare (820 mAh/g și 5 855 mAh/cm3) și un potențial redox favorabil (−0.76V față de electrodul standard de hidrogen) al anodului de Zn.
Problema este că atunci când ionul de zinc (Zn2+) concentrația pe suprafața anodului scade la zero, dendrite încep să crească pe acesta. Prezența acestor structuri face ca performanța electrochimică a bateriei să se deterioreze și poate fi periculoasă dacă este lăsată necontrolată.
Modificarea mediului solvent
Studii recente au arătat că modificarea mediului de solvent (sau „structura de solvatare”) prin, de exemplu, introducerea de săruri sau includerea mai puține molecule de apă, poate crește viteza cu care Zn2+ ionii se mișcă ca răspuns la un câmp electric și, prin urmare, suprimă creșterea dendritelor. Cu toate acestea, astfel de ajustări scad, din păcate, conductivitatea ionică a sistemului de baterii, ceea ce duce la o performanță generală mai slabă.
În noul studiu, cercetătorii conduși de un expert în nanotehnologie Meinan Liu a Universitatea de Știință și Tehnologie din China a descoperit că introducerea de grupări hidroxil care conțin zaharoză este o modalitate eficientă de reglare a structurii de solvatare a Zn2+ ionii, ceea ce mărește viteza cu care ionii se propagă fără a scădea conductivitatea ionică. Zaharoza poate stabiliza, de asemenea, electrolitul apos, absorbind în același timp pe anodul de Zn pentru a forma un strat protector pe acesta. Acest lucru împiedică coroziunea electrolitului de pe anodul Zn, spun ei.
„Sucroza cu grupări hidroxil interacționează puternic cu Zn2+ în comparație cu moleculele de apă din electrolit”, explică Liu. „Prin urmare, poate înlocui unele dintre moleculele de apă și se poate coordona cu Zn2+, reglând astfel structura de solvatare a ionilor.”
Formarea dendritei este redusă
„Znul modificat2+ Structura de solvație are o influență importantă asupra cineticii ionilor, inclusiv asupra ratei cu care difuzează prin electrolit”, spune ea. Lumea fizicii. „Rezultatele noastre experimentale demonstrează în mod clar că numărul de transfer al Zn2+ ionii crește odată cu introducerea zaharozei. Această mobilitate îmbunătățită a ionilor ajută la reducerea formării dendritelor, așa cum sa menționat.”
Sarea industrială face o baterie cu zinc mai sigură și mai durabilă
Potrivit cercetătorilor, tehnica lor ar putea ajuta oamenii de știință să dezvolte baterii Zn de înaltă performanță și aduce o baterie Zn sigură, ecologică, mai aproape de realitate.
Privind în perspectivă, Liu și colegii lor spun că intenționează să se concentreze pe dezvoltarea electroliților cu conductivitate ionică bună, care funcționează la temperaturi mai scăzute. Ei își detaliază studiul prezent în Nano Research.
