Demonstration av ett system för lagring av förnybar energi. Bilder på forskarnas demonstration av ett lagringssystem för förnybar energi baserat på ett DZMB-paket (i mitten av bilden) integrerat med solcellsmoduler (PV) och en vinddriven generator genom en styrenhet. Styrenheten var också ansluten till en lysdiod (LED) panel, fungerar som den elektriska belastningen. Kredit:Zhong et al.
Den globala efterfrågan på laddningsbara batterier har ökat exponentiellt under det senaste decenniet eller så, eftersom de behövs för att driva det ökande antalet bärbara elektroniska enheter som smarta telefoner, bärbara datorer, tabletter, smarta klockor och träningsspårare. För att arbeta mest effektivt, laddningsbara batterier bör ha en hög energitäthet, men de borde också vara säkra, stabil och miljövänlig.
Medan litiumjonbatterier (LIB) nu är några av de mest utbredda laddningsbara energilagringssystemen, de innehåller organiska elektrolyter som är mycket flyktiga, vilket avsevärt minskar deras säkerhet. På senare år har forskare har alltså försökt identifiera nya batterikompositioner som inte innehåller brandfarliga och instabila elektrolyter.
Bland de mest lovande alternativen till LIB är batterier baserade på icke brandfarliga och billiga vattenbaserade elektrolyter, såsom bly-syra och zink-mangan batterier. Dessa batterier har många fördelar, inklusive högre säkerhet och låga produktionskostnader. Än så länge, dock, deras prestation, arbetsspänningen och laddningsbarheten har varit något begränsade jämfört med litiumbaserade lösningar.
Forskare vid Key Laboratory of Advanced Ceramics and Machining Technology, Tianjin Key Laboratory of Composite and Functional Materials och Tianjin University i Kina har nyligen introducerat en ny designstrategi som kan förbättra prestandan hos zink-mangandioxid (Zn–MnO) 2 ) batterier. Tillvägagångssättet de utvecklade, presenteras i en tidning publicerad i Naturenergi , innebär avkoppling av elektrolyter inuti batteriet för att möjliggöra en optimal redoxkemi i både Zn och MnO 2 elektroder.
"Vårt papper inträffade oavsiktligt när vi monterade en alkalisk Zn–MnO 2 batteri med nyutfällt MnO 2 , som har lite kvarvarande H 2 SÅ 4 (från elektrodeponeringsbadet) på MnO 2 yta, " Prof. Cheng Zhong, en av forskarna som genomförde studien, berättade för TechXplore. "Det sammansatta batteriet uppvisade extra högre urladdningsspänning än konventionella Zn–MnO 2 batterier, som uppmuntrade oss att göra allt till grunderna, lägger grunden för vår studie."
Prof. Zhong och hans kollegor fann att deras strategi för att frikoppla elektrolyter ledde till bättre prestanda för Zn-MnO 2 batterier med en öppen spänning på 2,83 V. Detta är ett mycket lovande resultat, med tanke på att mer konventionella Zn-MnO 2 batterier har vanligtvis en spänning på 1,5V.
Kapaciteten hos batteriet tillverkat med deras elektrolytavkopplingsstrategi, dubbad DZBM, bleknade med bara 2 % efter att den använts kontinuerligt och laddats upp i 200 timmar. Dessutom, batteriet behöll 100 % av sin kapacitet vid en mängd olika urladdningsströmtätheter. Anmärkningsvärt, forskarna visade att batterier som skapats med deras metod också kan integreras med vind- och solcellshybridkraftsystem, vilket ytterligare ökar deras hållbarhet.
"Elektrolyt-avkopplingsstrategin syftar till att samtidigt möjliggöra den optimala redoxkemin för både Zn och MnO 2 elektroder, Prof. Zhong förklarade. Arbetsvillkoren för MnO 2 katod och Zn-anod frikopplades för att möjliggöra både surt MnO 2 och alkaliska Zn-redoxreaktioner i en enda cell. Det resulterande DZMB-batteriet har en mycket högre arbetsspänning och förlängd livslängd än traditionell alkalisk Zn-MnO 2 batterier."
I framtiden, den nya designstrategin som introducerades av prof. Zhong och hans kollegor skulle kunna användas för att producera ny Zn-MnO 2 batterier som är billiga och säkra, men som också har exceptionellt höga tomgångsspänningar och en förlängd cykellivslängd. I synnerhet, samma strategi skulle också kunna användas för att förbättra prestandan hos andra zinkbaserade vattenbatterier, inklusive de med Zn-Cu- och Zn-Ag-kompositioner.
"Eftersom kostnaden och prestandan för toppmoderna jonselektiva membran fortfarande är otillfredsställande, vår framtida forskning kommer att fokusera på studier av frikopplingsdesigner utan att använda membranen, " sa prof. Zhong.
© 2020 Science X Network
