Vattenhaltiga zinkbatterier är lovande alternativ till sina litiumjon-kusiner, men de lider av ett av samma problem: bildandet av dendriter. Dessa nålliknande strukturer bildas på ytan av zinkanoden och växer in i elektrolyten, vilket gör att batteriet kortsluts eller i vissa fall till och med antänds. Ett team av forskare i Kina har nu visat att tillsats av vanligt bordssocker (sackaros) kemiskt modifierat med hydroxylgrupper till elektrolyten kan bromsa tillväxten av zinkdendriter genom att förändra lösningsmedelsmiljön. Dessutom bildar sackarosen också en skyddande beläggning på anoden och bromsar dess korrosion.
Litiumjonbatterier är de mest använda batterierna idag i bärbar elektronik och elfordon, men de brandfarliga och giftiga organiska elektrolyterna de innehåller är en anledning till oro. Litium är också dyrt jämfört med vissa andra, vanligare metaller, och den globala tillgången är offer för olika osäkerheter. Zinkbatterier, som normalt bildas med vattenhaltiga elektrolyter, är ett attraktivt substitut eftersom zink är billigare, mindre giftigt, lättare att återvinna och mer allmänt tillgängligt än litium. De har också en hög energitäthet, med en hög specifik kapacitet (820 mAh/g och 5 855 mAh/cm3) och en gynnsam redoxpotential (−0.76V jämfört med standardväteelektroden) för Zn-anoden.
Problemet är att när zinkjonen (Zn2+) koncentrationen på anodens yta sjunker till noll, dendriter börjar växa på den. Närvaron av dessa strukturer gör att batteriets elektrokemiska prestanda försämras och kan vara farligt om det lämnas okontrollerat.
Modifiering av lösningsmedelsmiljön
Nyligen genomförda studier har visat att modifiering av lösningsmedelsmiljön (eller "solvationsstrukturen") genom att till exempel införa salter eller inkludera färre vattenmolekyler, kan öka hastigheten med vilken Zn2+ joner rör sig som svar på ett elektriskt fält och undertrycker därför dendrittillväxt. Men sådana justeringar minskar tyvärr batterisystemets jonledningsförmåga, vilket leder till sämre totalprestanda.
I den nya studien, forskare ledda av nanoteknikexpert Meinan Liu av Kinas universitet för vetenskap och teknik fann att införande av sackaros innehållande hydroxylgrupper är ett effektivt sätt att reglera solvatiseringsstrukturen av Zn2+ joner, vilket ökar den hastighet med vilken jonerna fortplantar sig utan att minska jonkonduktiviteten. Sackarosen kan också stabilisera den vattenhaltiga elektrolyten samtidigt som den absorberas på Zn-anoden för att bilda ett skyddande skikt på den. Detta hindrar korrosionen av elektrolyten på Zn-anoden, säger de.
"Sackaros med hydroxylgrupper interagerar starkt med Zn2+ jämfört med vattenmolekyler i elektrolyten”, förklarar Liu. ”Den kan därför ersätta en del av vattenmolekylerna och koordinera med Zn2+, så reglerar solvatiseringsstrukturen för jonerna."
Dendritbildningen minskar
"Den modifierade Zn2+ solvatiseringsstrukturen har ett viktigt inflytande på jonernas kinetik, inklusive hastigheten med vilken de diffunderar genom elektrolyten, säger hon. Fysikvärlden. "Våra experimentella resultat visar tydligt att överföringstalet för Zn2+ joner ökar med införandet av sackaros. Denna ökade rörlighet hos jonerna hjälper till att minska bildningen av dendriter som nämnts."
Industrisalt gör ett säkrare och mer hållbart zinkbatteri
Enligt forskarna kan deras teknik hjälpa forskare att utveckla högpresterande Zn-batterier och föra ett säkert, miljövänligt Zn-batteri närmare verkligheten.
När vi ser framåt säger Liu och kollegor att de planerar att fokusera på att utveckla elektrolyter med god jonledningsförmåga som fungerar vid lägre temperaturer. De beskriver sin nuvarande studie i Nanoforskning.
