Водно-цинкові батареї є багатообіцяючою альтернативою літій-іонним батареям, але вони страждають від однієї з тих же проблем: утворення дендритів. Ці голчасті структури утворюються на поверхні цинкового анода та проростають у електроліт, спричиняючи коротке замикання або, у деяких випадках, навіть займання батареї. Команда дослідників у Китаї показала, що додавання звичайного столового цукру (сахарози), хімічно модифікованого гідроксильними групами, до електроліту може уповільнити ріст дендритів цинку шляхом зміни середовища розчинника. Більше того, сахароза також утворює захисне покриття на аноді та уповільнює його корозію.
Літій-іонні батареї є найбільш широко використовуваними батареями сьогодні в портативній електроніці та електромобілях, але легкозаймисті та токсичні органічні електроліти, які вони містять, викликають занепокоєння. Літій також дорогий у порівнянні з деякими іншими, більш поширеними металами, і глобальна пропозиція є жертвою різноманітних невизначеностей. Цинкові батареї, які зазвичай утворюються з водних електролітів, є привабливою заміною, оскільки цинк дешевший, менш токсичний, легше переробляється та більш доступний, ніж літій. Вони також мають високу щільність енергії з високою питомою ємністю (820 мА·год/г і 5 мА·год/см3) і сприятливий окисно-відновний потенціал (–0.76 В порівняно зі стандартним водневим електродом) Zn-анода.
Проблема полягає в тому, що коли іон цинку (Zn2+) концентрація на поверхні анода падає до нуля, на ньому починають рости дендрити. Наявність цих структур спричиняє погіршення електрохімічних характеристик батареї та може бути небезпечною, якщо її залишити без контролю.
Зміна середовища розчинника
Нещодавні дослідження показали, що модифікація середовища розчинника (або «структури сольватації») шляхом, наприклад, введення солей або включення меншої кількості молекул води може збільшити швидкість, з якою Zn2+ іони рухаються у відповідь на електричне поле і тому пригнічують ріст дендритів. Однак такі налаштування, на жаль, зменшують іонну провідність акумуляторної системи, що призводить до погіршення загальної продуктивності.
У новому дослідженні дослідники очолювали експерта з нанотехнологій Мейнан Лю в Університет науки і техніки Китаю встановлено, що введення сахарози, що містить гідроксильні групи, є ефективним способом регулювання сольватної структури Zn2+ іонів, що збільшує швидкість, з якою іони розповсюджуються без зменшення іонної провідності. Сахароза також може стабілізувати водний електроліт, водночас поглинаючись цинковим анодом, утворюючи на ньому захисний шар. Вони кажуть, що це перешкоджає корозії електроліту на Zn-аноді.
«Сахароза з гідроксильними групами сильно взаємодіє з Zn2+ порівняно з молекулами води в електроліті», – пояснює Лю. «Тому він може замінити деякі молекули води та координуватися з Zn2+, таким чином регулюючи сольватну структуру іонів».
Зменшується утворення дендритів
«Модифікований Zn2+ Структура сольватації має важливий вплив на кінетику іонів, включаючи швидкість, з якою вони дифундують через електроліт», — розповідає вона. Світ фізики. «Наші експериментальні результати чітко демонструють, що число перенесення Zn2+ іонів збільшується при введенні сахарози. Ця підвищена рухливість іонів допомагає зменшити утворення дендритів, як уже згадувалося».
Промислова сіль робить цинкову батарею безпечнішою та довговічнішою
За словами дослідників, їхня техніка може допомогти вченим розробити високоефективні Zn-батареї та наблизити безпечну, екологічно чисту Zn-батарею до реальності.
Заглядаючи вперед, Лю та його колеги кажуть, що вони планують зосередитися на розробці електролітів із хорошою іонною провідністю, які працюють при нижчих температурах. Вони детально описують своє поточне дослідження в Нанодослідження.
