Водно-цинковые батареи являются многообещающей альтернативой своим литий-ионным собратьям, но они страдают от одной из тех же проблем: образования дендритов. Эти игольчатые структуры образуются на поверхности цинкового анода и врастают в электролит, вызывая короткое замыкание батареи, а в некоторых случаях даже возгорание. Группа исследователей из Китая показала, что добавление в электролит обычного столового сахара (сахарозы), химически модифицированного гидроксильными группами, может замедлить рост цинковых дендритов за счет изменения среды растворителя. Более того, сахароза также образует защитное покрытие на аноде и замедляет его коррозию.
Литий-ионные аккумуляторы сегодня наиболее широко используются в портативной электронике и электромобилях, но содержащиеся в них легковоспламеняющиеся и токсичные органические электролиты вызывают беспокойство. Литий также дорог по сравнению с некоторыми другими, более распространенными металлами, и глобальные поставки являются жертвами различных неопределенностей. Цинковые батареи, которые обычно изготавливаются из водных электролитов, являются привлекательной заменой, поскольку цинк дешевле, менее токсичен, легче перерабатывается и более доступен, чем литий. Они также имеют высокую плотность энергии, с высокой удельной емкостью (820 мАч/г и 5 855 мАч/смXNUMX).3) и благоприятный окислительно-восстановительный потенциал (-0.76 В по сравнению со стандартным водородным электродом) цинкового анода.
Проблема в том, что когда ион цинка (Zn2+) концентрация на поверхности анода падает до нуля, на нем начинают расти дендриты. Наличие этих структур приводит к ухудшению электрохимических характеристик батареи и может быть опасным, если их не контролировать.
Изменение растворяющей среды
Недавние исследования показали, что изменение среды растворителя (или «структуры сольватации»), например, путем введения солей или включения меньшего количества молекул воды, может увеличить скорость, с которой Zn2+ ионы движутся в ответ на электрическое поле и поэтому подавляют рост дендритов. Однако такие корректировки, к сожалению, снижают ионную проводимость аккумуляторной системы, что приводит к снижению общей производительности.
В новом исследовании исследователи во главе с экспертом по нанотехнологиям Мейнан Лю Университет науки и техники Китая обнаружили, что введение сахарозы, содержащей гидроксильные группы, является эффективным способом регулирования сольватной структуры цинка.2+ ионов, что увеличивает скорость распространения ионов без снижения ионной проводимости. Сахароза также может стабилизировать водный электролит, в то же время поглощая цинковый анод, образуя на нем защитный слой. По их словам, это препятствует коррозии электролита на цинковом аноде.
«Сахароза с гидроксильными группами сильно взаимодействует с Zn2+ по сравнению с молекулами воды в электролите», — объясняет Лю. «Поэтому он может заменять некоторые молекулы воды и координироваться с Zn.2+регулируя таким образом сольватную структуру ионов».
Уменьшение образования дендритов
«Модифицированный Zn2+ Структура сольватации оказывает важное влияние на кинетику ионов, в том числе на скорость их диффузии через электролит», — говорит она. Мир физики. «Наши экспериментальные результаты ясно демонстрируют, что число переноса Zn2+ ионов увеличивается при введении сахарозы. Как уже упоминалось, эта повышенная подвижность ионов помогает уменьшить образование дендритов».
Промышленная соль делает цинковую батарею более безопасной и экологичной
По словам исследователей, их метод может помочь ученым разработать высокопроизводительные Zn-батареи и приблизить к реальности безопасные, экологически чистые Zn-батареи.
Забегая вперед, Лю и его коллеги говорят, что они планируют сосредоточиться на разработке электролитов с хорошей ионной проводимостью, которые работают при более низких температурах. Они подробно излагают свое настоящее исследование в Нано исследования.
