Ett zinkbaserat batteri som levererar en hög spänning och betydande energikapacitet skulle kunna ställas in på att konkurrera med konventionella litiumjonbatterier, A*STAR-forskare har hittat.

Spridningen av elfordon och förnybara energikällor driver efterfrågan på laddningsbara batterier som lagrar och levererar stora mängder energi på ett säkert sätt, effektivt och billigt. Zinkbaserade batterier erbjuder några viktiga fördelar jämfört med litiumjon, inklusive låg kostnad och icke brandfarlighet. Kilo per kilo, zink-luftbatterier kan potentiellt lagra fem gånger mer energi än litiumjon, medan zink-nickel-batterier producerar relativt höga spänningar (potentiellt användbart eftersom färre batterier skulle behövas för att driva en enhet). Men zinkbatterier tenderar också att förlora sin energilagringskapacitet efter bara några hundra laddningscykler, och inget zinkbatteri har ännu kombinerat både en anständig spänning på mer än 1,5 volt och en hög energilagringskapacitet.

Yun Zong och Zhaolin Liu från A*STAR Institute of Materials Research and Engineering och kollegor har nu utvecklat ett hybrid zinkbatteri som kombinerar det bästa av zink-luft och zink-nickel-teknologier, slutföra över 5, 000 laddningscykler utan prestandaförlust. Batteriet har en zinkanod, medan dess katod är baserad på ett kolbelagt nickelskum täckt med nanotrådar av nickelkoboltoxid. Den flytande elektrolyten mellan elektroderna innehåller hydroxidanjoner lösta i vatten.

En viktig orsak till batteriets utmärkta prestanda är att katoden fungerar på två distinkta sätt under laddning och urladdning. När batteriet laddas, hydroxidjoner från elektrolyten reagerar med metalloxider i katoden för att producera oxihydroxidföreningar, frigör elektroner. Men metallerna i katoden fungerar också som en katalysator, kombinera hydroxidanjoner för att producera syre, vatten, och fler elektroner. Dessa elektroner strömmar runt kretsen till anoden, där de kombineras med zinkjoner i elektrolyten för att producera zinkmetall. Under utskrivning, dessa elektrokemiska processer är omvända.

Batteriet har en stabil tvåstegsurladdningsspänning mellan 1,75 och 1,0 volt, och bibehöll sin prestanda under tre månaders kontinuerliga tester, betydligt bättre än tidigare zinkbatterier. Zong uppskattar att batteriet kan lagra cirka 270 wattimmar per kilogram, med förbättringspotential. "Detta är redan i nivå med litiumjonbatterier som finns på marknaden, " han säger.

De två kemiska processerna vid katoden producerar olika spänningar, vilket kan vara en fördel för applikationer som initialt kräver en högre spänning, såsom obemannade flygfarkoster som behöver en energikick för att komma i luften och sedan en lägre spänning för att upprätthålla sin flygning. Teamet hoppas nu kunna förbättra batteriets livslängd, kanske genom att använda en porös zinkanod, och att öka kapaciteten hos zink-nickeldelen av batteriet.