Återigen etablera University of Maryland (UMD) som ledande inom utvecklingen av banbrytande batteriteknologi, ett team ledd av forskare vid UMD:s A. James Clark School of Engineering har skapat ett vattenbaserat zinkbatteri som samtidigt är kraftfullt, uppladdningsbar, och egensäker. En peer-reviewed artikel baserad på forskningen publicerades den 16 april i tidskriften med hög effekt Naturmaterial .

Tillsammans med kollegor vid U.S. Army Research Laboratory (ARL) och National Institute of Standards and Technology (NIST), UMD-ingenjörerna kombinerade gammal batteriteknik (metallisk zink) med ny (vatten-i-salt-elektrolyter). Bygger på tidigare UMD-framsteg för att skapa säkrare batterier med en ny vattenhaltig elektrolyt istället för den brandfarliga organiska elektrolyten som används i konventionella litiumjonbatterier, forskarna ökade energin i vattenbatteriet genom att tillsätta metallisk zink - som användes som anod på det allra första batteriet - och dess salt till elektrolyten.

"Vattenbaserade batterier kan vara avgörande för att förhindra bränder i elektronik, men deras energilagring och kapacitet har varit begränsad - fram till nu. För första gången, vi har ett batteri som kan konkurrera med litiumjonbatterierna i energitäthet, men utan risk för explosion eller brand, " säger Fei Wang, en gemensamt utsedd postdoktor vid UMD:s Clark School och ARL, och första författare till tidningen.

Forskarna säger att det nya vattenhaltiga zinkbatteriet så småningom kan användas inte bara i hemelektronik, men också under extrema förhållanden för att förbättra prestandan hos säkerhetskritiska fordon som de som används inom flyg- militär, och djuphavsmiljöer.

Som ett exempel på det vattenhaltiga zinkbatteriets kraft och säkerhet, Fei Wang citerar de många batteribrandincidenter i mobiltelefoner, bärbara datorer, och elbilar som lyfts fram i den senaste tidens mediabevakning. Det nya vattenhaltiga zinkbatteriet som presenteras i detta arbete kan vara svaret på kravet på säker batterikemi samtidigt som de bibehåller de jämförbara eller till och med högre energitätheterna hos konventionella litiumjonbatterier.

Detta högkoncentrerade vattenhaltiga zinkbatteri övervinner också andra nackdelar med konventionella zinkbatterier, såsom förmågan att uthärda endast begränsade laddningscykler, dendrit (trädliknande strukturer av kristaller) tillväxt under användning och uppladdning, och ihållande vattenförbrukning, vilket resulterar i ett behov av att regelbundet fylla på batteriernas elektrolyt med vatten.

"Befintliga zinkbatterier är säkra och relativt billiga att tillverka, men de är inte perfekta på grund av dålig livslängd och låg energitäthet. Vi övervinner dessa utmaningar genom att använda en vatten-i-salt-elektrolyt, " säger Chunsheng Wang, UMD professor i kemisk och biomolekylär teknik och motsvarande författare till uppsatsen.

Ytterligare, i detta samarbete, forskarna identifierade den grundläggande orsaken till irreversibilitet i zinkbatterier - ett fenomen som observeras vid användning av uppladdningsbara batterier där mängden laddning ett batteri kan leverera vid den nominella spänningen minskar med användning - och hittade en ny lösning på det. Hemligheten var att förändra solvatiseringssfärens struktur för zinkkatjon (positivt laddade joner).

"Eftersom de flesta vattenmolekyler i den nya elektrolyten är starkt bundna av det högkoncentrerade saltet, vattnet i det vattenhaltiga zinkbatteriets elektrolyt kommer inte att avdunsta i en öppen cell. Detta framsteg revolutionerar zink-luftbatterier, som drivs av att oxidera zink med syre från luften, som de som används i energinätslagring, ", tillägger Chunsheng Wang.

Forskarteamet säger att detta batteriteknologiska framsteg lägger grunden för vidare forskning, och de är hoppfulla för eventuell framtida kommersialisering.

"Zinkbatterier skulle ge ett kraftfullt och billigt sätt att lagra energi om de kunde vara uppladdningsbara. Denna forskning avslöjade sätt att kontrollera vilka molekyler i elektrolyten som omger jonerna som rör sig fram och tillbaka i ett batteri när energi lagras och frigörs. Här, medförfattarna använde denna kunskap för att göra ett mycket laddningsbart zinkbatteri som kunde erbjuda en låg kostnad, säkert alternativ för hemelektronik, bilar, och elnätslagring, " säger Joseph Dura, en fysiker vid NIST och medförfattare till tidningen.

"Den betydande upptäckt som gjorts i detta arbete har berört kärnproblemet med vattenhaltiga zinkbatterier, och kan påverka andra vattenhaltiga eller icke-vattenhaltiga multivalenskatjonkemier som möter liknande utmaningar, som magnesium- och aluminiumbatterier, " säger Kang Xu, ARL-stipendiat och medförfattare till denna artikel.