Pin kẽm chứa nước là những lựa chọn thay thế đầy hứa hẹn cho những người anh em họ lithium-ion của chúng, nhưng chúng gặp phải một trong những vấn đề tương tự: sự hình thành các sợi nhánh. Những cấu trúc hình kim này hình thành trên bề mặt cực dương kẽm và phát triển thành chất điện phân, khiến pin bị chập hoặc trong một số trường hợp thậm chí bốc cháy. Một nhóm các nhà nghiên cứu ở Trung Quốc hiện đã chỉ ra rằng việc bổ sung đường ăn thông thường (sucrose) đã được biến đổi hóa học với các nhóm hydroxyl vào chất điện phân có thể làm chậm sự phát triển của sợi nhánh kẽm bằng cách thay đổi môi trường dung môi. Hơn nữa, sucrose còn tạo thành lớp phủ bảo vệ trên cực dương và làm chậm quá trình ăn mòn của nó.
Pin lithium-ion là loại pin được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay trong các thiết bị điện tử cầm tay và xe điện, nhưng các chất điện phân hữu cơ dễ cháy và độc hại mà chúng chứa là một nguyên nhân gây lo ngại. Lithium cũng đắt so với một số kim loại phổ biến khác và nguồn cung toàn cầu là nạn nhân của nhiều bất ổn khác nhau. Pin kẽm, thường được hình thành bằng chất điện phân nước, là một chất thay thế hấp dẫn vì kẽm rẻ hơn, ít độc hại hơn, dễ tái chế hơn và phổ biến rộng rãi hơn lithium. Chúng cũng có mật độ năng lượng cao, với dung lượng riêng cao (820 mAh/g và 5 mAh/cm3) và thế oxy hóa khử thuận lợi (−0.76V so với điện cực hydro tiêu chuẩn) của cực dương Zn.
Vấn đề là khi ion kẽm (Zn2+) nồng độ trên bề mặt cực dương giảm xuống 0, các sợi nhánh bắt đầu phát triển trên đó. Sự hiện diện của những cấu trúc này khiến hiệu suất điện hóa của pin suy giảm và có thể gây nguy hiểm nếu không được kiểm soát.
Sửa đổi môi trường dung môi
Các nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng việc thay đổi môi trường dung môi (hoặc “cấu trúc hòa tan”) bằng cách, ví dụ, đưa muối vào hoặc bao gồm ít phân tử nước hơn, có thể làm tăng tốc độ Zn2+ các ion di chuyển để phản ứng với điện trường và do đó ngăn chặn sự phát triển của dendrite. Tuy nhiên, những điều chỉnh như vậy không may làm giảm độ dẫn ion của hệ thống pin, dẫn đến hiệu suất tổng thể kém hơn.
Trong nghiên cứu mới, các nhà nghiên cứu dẫn đầu bởi chuyên gia công nghệ nano Lưu Mỹ Nam của Đại học Khoa học và Công nghệ Trung Quốc nhận thấy rằng việc đưa các nhóm hydroxyl chứa sucrose là một cách hiệu quả để điều chỉnh cấu trúc hòa tan của Zn2+ ion, giúp tăng cường tốc độ lan truyền của các ion mà không làm giảm độ dẫn ion. Sucrose cũng có thể ổn định chất điện phân dạng nước đồng thời hấp thụ vào cực dương Zn để tạo thành lớp bảo vệ trên đó. Họ nói rằng điều này cản trở sự ăn mòn của chất điện phân trên cực dương Zn.
“Sucrose với các nhóm hydroxyl tương tác mạnh với Zn2+ so với các phân tử nước trong chất điện phân”, Liu giải thích. “Do đó nó có thể thay thế một số phân tử nước và phối hợp với Zn2+, do đó điều chỉnh cấu trúc hòa tan của các ion.”
Sự hình thành dendrite giảm
“Zn biến tính2+ Cấu trúc hòa tan có ảnh hưởng quan trọng đến động học của các ion, bao gồm cả tốc độ chúng khuếch tán qua chất điện phân,” cô nói. Thế giới vật lý. “Kết quả thí nghiệm của chúng tôi chứng minh rõ ràng rằng số lần chuyển của Zn2+ các ion tăng lên khi đưa vào sucrose. Tính di động được tăng cường này của các ion giúp giảm sự hình thành đuôi gai như đã đề cập.”
Muối công nghiệp tạo ra pin kẽm an toàn và bền vững hơn
Theo các nhà nghiên cứu, kỹ thuật của họ có thể giúp các nhà khoa học phát triển pin Zn hiệu suất cao và đưa pin Zn an toàn, thân thiện với môi trường đến gần hơn với thực tế.
Nhìn về phía trước, Liu và các đồng nghiệp cho biết họ có kế hoạch tập trung phát triển các chất điện phân có độ dẫn ion tốt hoạt động ở nhiệt độ thấp hơn. Họ trình bày chi tiết nghiên cứu hiện tại của họ trong Nghiên cứu Nano.
