น้ำตาลหนึ่งช้อนทำให้เดนไดรต์ลดลง

แบตเตอรี่สังกะสีที่เป็นน้ำเป็นทางเลือกที่มีแนวโน้มว่าจะเป็นทางเลือกแทนลิเธียมไอออนลูกพี่ลูกน้อง แต่พวกเขาประสบปัญหาเดียวกัน: การก่อตัวของเดนไดรต์ โครงสร้างคล้ายเข็มเหล่านี้ก่อตัวขึ้นบนพื้นผิวของขั้วบวกสังกะสีและเติบโตเป็นอิเล็กโทรไลต์ ทำให้แบตเตอรี่สั้นหรือในบางกรณีอาจถึงขั้นติดไฟได้ ขณะนี้ทีมนักวิจัยในประเทศจีนได้แสดงให้เห็นว่าการเติมน้ำตาลทรายธรรมดา (ซูโครส) ที่ดัดแปลงทางเคมีด้วยหมู่ไฮดรอกซิลลงในอิเล็กโทรไลต์สามารถชะลอการเจริญเติบโตของซิงก์เดนไดรต์โดยการเปลี่ยนสภาพแวดล้อมของตัวทำละลาย ยิ่งไปกว่านั้น ซูโครสยังสร้างสารเคลือบป้องกันบนขั้วบวกและชะลอการกัดกร่อน

แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนเป็นแบตเตอรี่ที่ใช้งานกันอย่างแพร่หลายในปัจจุบันในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบพกพาและยานพาหนะไฟฟ้า แต่อิเล็กโทรไลต์อินทรีย์ที่ไวไฟและเป็นพิษที่บรรจุอยู่ในแบตเตอรี่เป็นสาเหตุของความกังวล นอกจากนี้ ลิเธียมยังมีราคาสูงเมื่อเทียบกับโลหะอื่นๆ ที่พบได้ทั่วไป และอุปทานทั่วโลกตกเป็นเหยื่อของความไม่แน่นอนต่างๆ แบตเตอรี่สังกะสีซึ่งปกติจะประกอบขึ้นด้วยอิเล็กโทรไลต์ที่มีน้ำเป็นตัวทดแทนที่น่าสนใจ เนื่องจากสังกะสีมีราคาถูกกว่า เป็นพิษน้อยกว่า รีไซเคิลได้ง่ายกว่า และมีจำหน่ายทั่วไปมากกว่าลิเธียม นอกจากนี้ยังมีความหนาแน่นของพลังงานสูง โดยมีความจุเฉพาะสูง (820 mAh/g และ 5 mAh/cm³) และศักย์รีดอกซ์ที่น่าพอใจ (−0.76V เทียบกับอิเล็กโทรดไฮโดรเจนมาตรฐาน) ของ Zn แอโนด

ปัญหาคือเมื่อสังกะสีไอออน (Zn²⁺) ความเข้มข้นบนพื้นผิวของขั้วบวกลดลงถึงศูนย์ เดนไดรต์เริ่มเติบโตบนนั้น การปรากฏตัวของโครงสร้างเหล่านี้ทำให้ประสิทธิภาพทางเคมีไฟฟ้าของแบตเตอรี่ลดลงและอาจเป็นอันตรายได้หากปล่อยไว้โดยไม่มีการควบคุม

การปรับเปลี่ยนสภาพแวดล้อมของตัวทำละลาย

การศึกษาเมื่อเร็วๆ นี้แสดงให้เห็นว่าการปรับเปลี่ยนสภาพแวดล้อมของตัวทำละลาย (หรือ "โครงสร้างการละลาย") โดยยกตัวอย่างเช่น การเพิ่มเกลือหรือการรวมโมเลกุลของน้ำให้น้อยลง สามารถเพิ่มความเร็วที่ Zn²⁺ ไอออนจะเคลื่อนที่เพื่อตอบสนองต่อสนามไฟฟ้า ดังนั้นจึงยับยั้งการเจริญเติบโตของเดนไดรต์ อย่างไรก็ตาม การปรับดังกล่าวน่าเสียดายที่ลดการนำไฟฟ้าไอออนของระบบแบตเตอรี่ ทำให้ประสิทธิภาพโดยรวมแย่ลง

ในการศึกษาครั้งใหม่นี้ นักวิจัยนำโดยผู้เชี่ยวชาญด้านนาโนเทคโนโลยี เหม่ยหนาน หลิว ของ มหาวิทยาลัยวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งประเทศจีน พบว่าการแนะนำซูโครสที่มีหมู่ไฮดรอกซิลเป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพในการควบคุมโครงสร้างการละลายของ Zn²⁺ ไอออนซึ่งช่วยเพิ่มความเร็วที่ไอออนจะแพร่กระจายโดยไม่ทำให้ค่าการนำไฟฟ้าของไอออนลดลง ซูโครสยังสามารถทำให้อิเล็กโทรไลต์ในน้ำมีความเสถียรในขณะเดียวกันก็ดูดซับไปยังขั้วบวก Zn เพื่อสร้างชั้นป้องกัน สิ่งนี้ขัดขวางการกัดกร่อนของอิเล็กโทรไลต์บนขั้วบวก Zn

“ซูโครสที่มีหมู่ไฮดรอกซิลจะทำปฏิกิริยากับ Zn อย่างมาก²⁺ เมื่อเทียบกับโมเลกุลของน้ำในอิเล็กโทรไลต์” Liu อธิบาย “จึงสามารถแทนที่โมเลกุลของน้ำบางส่วนและประสานกับสังกะสีได้²⁺ดังนั้นการควบคุมโครงสร้างการละลายของไอออน”

การก่อตัวของเดนไดรต์ลดลง

“Zn ที่แก้ไขแล้ว²⁺ โครงสร้างการละลายมีอิทธิพลสำคัญต่อจลนพลศาสตร์ของไอออน รวมถึงอัตราการแพร่ผ่านอิเล็กโทรไลต์” เธอบอก โลกฟิสิกส์. “ผลการทดลองของเราแสดงให้เห็นอย่างชัดเจนว่าจำนวนการถ่ายโอนของสังกะสี²⁺ ไอออนเพิ่มขึ้นด้วยการแนะนำของซูโครส การเคลื่อนที่ของไอออนที่เพิ่มขึ้นนี้ช่วยลดการก่อตัวของเดนไดรต์ตามที่กล่าวไว้”

นักวิจัยกล่าวว่าเทคนิคของพวกเขาสามารถช่วยนักวิทยาศาสตร์พัฒนาแบตเตอรี่ Zn ประสิทธิภาพสูง และทำให้แบตเตอรี่ Zn ที่ปลอดภัย เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมใกล้เคียงกับความเป็นจริงมากขึ้น

เมื่อมองไปข้างหน้า Liu และเพื่อนร่วมงานกล่าวว่าพวกเขาวางแผนที่จะมุ่งเน้นไปที่การพัฒนาอิเล็กโทรไลต์ที่มีค่าการนำไฟฟ้าที่ดีซึ่งทำงานที่อุณหภูมิต่ำ พวกเขาให้รายละเอียดการศึกษาปัจจุบันใน นาโน รีเสิร์ช.