Skiktade oxider kan utgöra grunden för högpresterande material för batterielektroder. Ett KAUST-team har utvecklat en billig och enkel teknik som skapar detta avgörande element för laddningsbara zinkjonceller.

Litiumjonbatterier driver de flesta av våra dagliga elektroniska enheter, som mobiltelefoner och bärbara datorer. Men det finns ett växande behov av att lagra energi i mycket större skalor, som att behålla den el som genereras av solceller för användning på natten. Det är dyrt att skala litiumjonbatteriteknologi till en sådan industriell nivå och medför allvarliga säkerhetsproblem, inklusive toxicitet och elektrolyternas brännbarhet.

Laget, leds av Husam Alshareef, utvecklar istället zinkjonbatterier som använder en vattenbaserad elektrolyt, som har fördelen av att vara luftstabil, säker, miljövänligt och billigt. "Vattenhaltiga batterier baserade på zinkjoner kan erbjuda en säkrare, kostnadseffektiv lösning för litiumjonbatterier för nätlagring, " säger Alshareef. "Vidare, de använder mer miljövänliga material än blybatterier."

Litiumjon- och zinkjonbatterier fungerar genom att elektriskt lagra joner i en elektrod. Under laddning, joner strömmar genom en elektrolyt från en elektrod till en annan, där de fångas upp av en process som kallas interkalering. Detta betyder att elektrodmaterial är nyckeln till att optimera ett batteris prestanda.

En familj av material som har visat mycket lovande i den senaste forskningen om zinkjonbatterier är vanadinbaserade föreningar. Dessa material har en skiktad och mycket öppen atomär kristallstruktur med gott om utrymmen för att fånga och lagra zinkjoner.

Teamet har nu utvecklat en mikrovågsmetod för att snabbt syntetisera ultralånga zinkpyrovanadat (Zn3V2O7(OH)2·2H2O) katoder. De blandade Zn(NO3)2·2H2O med kommersiellt NH4VO3-pulver, var och en löst i avjoniserat vatten, och applicerade mikrovågsstrålning för att inducera en reaktion. Det resulterande materialet torkades sedan innan det användes i ett batteri.

Detta zinkjonbatteri, de visar, kan uppnå en energitäthet på så mycket som 214 wattimmar per kilogram, vilket är mycket högre än tidigare rapporterade vattenhaltiga zinkjonbatterier och kommersiella blybatterier, med förbättrad stabilitet.

Teamet tror att deras mikrovågsteknik också kan vara användbar för att skapa andra metallpyrovanadatföreningar, förklarar Chuan Xia, Ph.D. student och huvudförfattare till studien. "Vi har redan gjort föreningar där zink ersätts med andra katjoner som skapar större metalloxidpolyedrar som kan interkalera ännu högre mängder zinkjoner, säger Xia.