Med förnybar energi i nätskala på uppgång, många forskare har flyttat sin uppmärksamhet från energigenerering till energilagring. Oavsett om det är solceller som omvandlar solljus till kraft, eller väderkvarnar som omvandlar luftströmmar till elektriska strömmar, källorna till förnybar energiproduktion är i sig variabla.

Exceptionellt molniga eller stilla dagar kan orsaka märkbara fluktuationer i effektuttaget från förnybara källor. Ett stort hinder för förnybar energi i nätskalan är hur man effektivt lagrar dessa ofta intermittenta energikällor för senare, mer jämnt fördelade användningar.

En forskargrupp ledd av Prof. Cui Guanglei och Zhao Jingwen från Qingdao Institute of Bioenergy and Bioprocess Technology (QIBEBT), Chinese Academy of Sciences (CAS) är ett steg närmare att lösa detta lagringsproblem.

Teamet har fokuserat på zinkanod- och grafitkatodbaserade Dual-ion-batterier (DIB) på grund av deras låga kostnader och högspänningskapacitet, vilket gör dem till en utmärkt kandidat för stora, lagringsenheter i nätskala. Deras resultat publicerades i Angewandte Chemie International Edition den 18 augusti.

I dessa batterier, Zn-avsättning sker på en Zn-anod under laddningsprocessen medan negativt laddade anjoner väver in sig i grafitkatoden och tillåter energilagring för senare användning, en process som kallas interkalering. Zink/grafitbatterier, dock, har en hake.

"Tyvärr, anjoner som ofta används för grafitinterkalationsreaktioner kan komplexbildas med karbonat i elektrolyten. Detta minskar oxidationsstabiliteten för karbonat och förhindrar utveckling av DIB med hög effektivitet, låg självurladdning och lång hållbarhet/cykellivslängd, säger Cui.

Väsentligen, elektrolyterna som används för att överföra laddning genom batteriet skulle genomgå oxidativ nedbrytning vid högspänningsområden, sänka batteriets effektivitet och livslängd. Detta är ett viktigt problem att lösa innan denna typ av batteri appliceras på storskalig energilagring.

Gruppens tillvägagångssätt förbättrade oxidationsstabiliteten hos karbonatbaserade elektrolyter genom att justera anjonsolvatiseringsstrukturen. Genom att introducera ett starkt elektrondonerande trimetylfosfat (TMP) lösningsmedel, laget kunde fånga anjonerna i TMP -lösningsregimen och koppla bort anjonerna från karbonatlösningsmedel.

Följaktligen, driftspänningen för zink/grafit-batterierna höjdes med 0,45 V samtidigt som det möjliggjorde en lång livscykel (92 % kapacitetsretention efter 1000 cykler). Detta kan inte bara förlänga livslängden för zink/grafitbatterier, men också öka kapaciteten för anjoninlagring till grafit. Författarna betonade att "en djup förståelse och reglering av anjonlösningsstrukturen är väsentlig."

"Här, vi återfår den antioxidativa karaktären hos karbonatbaserade elektrolyter för att stödja högspänningszink/grafitceller, genom att omorganisera det intermolekylära, dvs. jon-lösningsmedel och jon-jon, interaktioner, sa Cui.

Deras framtida arbete kommer att fokuseras på att öka energitätheten, undertrycka självurladdningsbeteendet samt sänka kostnaden för elektrolyten för zink/grafitbatterier. Det yttersta målet är att kommersialisera zink/grafitbatteriet i energilagring i nätskala.