På grund av sin låga kostnad och miljövänlighet har vattenhaltiga zinkbatterier potential att spela en viktig roll i framtida energilagringssystem för applikationer som elnät. Ett säkerhetsproblem har dock bromsat utvecklingen av denna framväxande teknik.

I en 28 juli-studie publicerad i Nano Research , presenterade kinesiska forskare en lösning som innebär att kemiskt modifiera vanligt bordssocker för att stabilisera zinkjonmiljön och säkra framtida tillämpningar.

Från elbilar till vind- och solenergisystem, ett allt mer mångsidigt utbud av energikrävande applikationer fortsätter att öka kraven på storskalig, lågkostnadsenergilagring. Vattenhaltiga zinkbatterier (Zn) steg snabbt till toppen som ett av de mer lovande alternativen för att på ett hållbart sätt möta efterfrågan, enligt studien.

"De är hög säkerhet och kostnadseffektiva jämfört med nuvarande litiumjonbatterier med brandfarliga organiska elektrolyter", säger pappersförfattaren Meinan Liu, docent i nanoteknik och nanobionik vid University of Science and Technology i Kina. "Dessutom presenterar Zn-anod superhög teoretisk kapacitet, vilket gör dessa Zn-batterier ännu mer lovande för applikationer som framtida energilagring i nätet."

Men när zinkjonen (Zn ²⁺ ) koncentrationen på anodens yta sjunker till noll, dendriter börjar växa. Okontrollerad Zn-dendrittillväxt försämrar den elektrokemiska prestandan och utgör ett allvarligt hot mot säker drift.

"Dessa dendriter kan penetrera separatorn och få batteriet att kortsluta", sa Liu.

Tidigare studier har visat att justering av lösningsmedelsmiljön (kallad "solvatiseringsstruktur") kan öka rörligheten för Zn ²⁺ som svar på det elektriska fältet framgångsrikt undertrycker tillväxten av dendriter. Problemet var att dessa tidigare justeringar – som att introducera andra salter eller inkludera färre vattenmolekyler – slutade med att systemets jonledningsförmåga också minskade.

Det fanns en grundläggande förståelse mellan Zn ²⁺ lösningsstruktur och dess rörlighet, förklarat av Liu. Detta var en nyckelfaktor som påverkade dendrittillväxten och stabiliteten hos Zn-anoden.

I ett försök att överbrygga denna klyfta försökte ett samarbetande forskarlag från flera kinesiska institutioner ett nytt sätt:att införa vanligt bordssocker med flera hydroxylgrupper (ett väte och ett syre bundna tillsammans) i elektrolyten för att justera solvatiseringsstrukturen för Zn ^{2 +} .

Genom att utföra atomistiska simuleringar och experiment bekräftade forskargruppen att sackarosmolekylerna förbättrade rörligheten och stoppade dendrittillväxt utan att kompromissa med stabiliteten. Faktum är att denna metod också gav oväntade fördelar:

"Fynd bekräftar att sackarosmolekyler i solvatiseringsskidan inte bara förbättrar rörligheten, utan säkerställer snabb Zn ²⁺ kinetik, men skyddar också Zn-anoden från vattenkorrosion och uppnår framgångsrikt Zn-dendritfri avsättning och sidoreaktionsdämpning", sa Liu.

Detta visar den stora potentialen med att använda denna enkla sackarosmodifiering för framtida högpresterande zinkbatterier och för forskningsfältet ett steg närmare det slutliga målet att uppnå ett säkert, grönt, högpresterande Zn-batteri.

"Förhoppningsvis skulle det här säkra, billiga Zn-batteriet kunna användas i energilagring i nätet," sa Liu.

Denna teknik lämpar sig också för ytterligare variationer och modifieringar:Zn-kolceller levererar högre energitäthet och förbättrad stabilitet, vilket tyder på en stor potentiell tillämpning av sackarosmodifierade elektrolyter för framtida Zn-batterier.

I framtida studier kommer forskarna också att överväga möjliga användningsfall och vägspärrar för vattenhaltiga zinkbatterier, särskilt hur de kan hantera extrema temperaturer.

"Den vattenhaltiga elektrolyten från Zn-batteriet kommer att frysas i låg temperatur, så vi undersöker hur vi ska hantera temperaturens påverkan på batteriets prestanda," sa Liu. + Utforska vidare

Forskare utvecklar lågtemperaturbeständiga vattenhaltiga zinkbaserade batterier