Gemeenschappelijke tafelsuikersleutel om veiligheidsrisico’s in waterige zinkbatterijen weg te nemen

Onderzoekers ontwierpen een met sucrose gemodificeerde waterige elektrolyt die de mobiliteit van zinkionen in reactie op het elektrische veld verhoogt en met succes dendrietvrije zinkbatterijen bereikt zonder de elektrochemische prestaties in gevaar te brengen. Credit: Nano-onderzoekTsinghua universiteit

Vanwege hun lage kosten en milieuvriendelijkheid hebben waterige zinkbatterijen het potentieel om een ​​belangrijke rol te spelen in toekomstige energieopslagsystemen voor toepassingen zoals elektriciteitsnetten. Een veiligheidsprobleem heeft de voortgang van deze opkomende technologie echter vertraagd.

In een studie van 28 juli gepubliceerd in Nano-onderzoekpresenteerden Chinese onderzoekers een oplossing waarbij gewone tafelsuiker chemisch wordt gewijzigd om de zinkionenomgeving te stabiliseren en toekomstige toepassingen veilig te stellen.

Van elektrische auto’s tot wind- en zonne-energiesystemen, een steeds diverser aanbod van energieverslindende toepassingen blijft de vraag naar grootschalige, goedkope energieopslag stimuleren. Waterige Zink (Zn)-batterijen kwamen volgens het onderzoek snel naar de top als een van de meer veelbelovende opties om duurzaam aan de vraag te voldoen.

“Ze zijn zeer veilig en kosteneffectief in vergelijking met de huidige lithium-ionbatterijen met ontvlambare organische elektrolyten”, zegt auteur Meinan Liu, universitair hoofddocent nanotechnologie en nanobionics aan de Universiteit van Wetenschap en Technologie van China. “Bovendien heeft de Zn-anode een superhoge theoretische capaciteit, wat deze Zn-batterijen nog veelbelovender maakt voor toepassingen zoals toekomstige energieopslag in het elektriciteitsnet.”

Wanneer echter het zinkion (Zn²⁺) concentratie op het oppervlak van de anode daalt tot nul, dendrieten beginnen te groeien. Ongecontroleerde Zn-dendrietgroei verslechtert de elektrochemische prestatie en vormt een ernstige bedreiging voor de veilige werking.

“Deze dendrieten kunnen de separator binnendringen en de batterij kortsluiten”, zei Liu.

Eerdere studies hebben aangetoond dat het aanpassen van de oplosmiddelomgeving (“solvatatiestructuur” genoemd) de mobiliteit van Zn . kan vergroten²⁺ in reactie op het elektrische veld onderdrukt met succes de groei van dendrieten. Het probleem was dat deze eerdere aanpassingen – zoals het introduceren van andere zouten of het opnemen van minder watermoleculen – uiteindelijk ook de ionische geleidbaarheid van het systeem verminderden.

Er was een fundamentele begripskloof tussen Zn²⁺ solvatatiestructuur en zijn mobiliteit, uitgelegd door Liu. Dit was een sleutelfactor die de dendrietgroei en stabiliteit van de Zn-anode beïnvloedde.

In een poging om deze kloof te overbruggen, probeerde een samenwerkend onderzoeksteam van meerdere Chinese instellingen een nieuwe aanpak: het introduceren van gewone tafelsuiker met meerdere hydroxylgroepen (een waterstof en een zuurstof aan elkaar gebonden) in de elektrolyt om de solvatatiestructuur van Zn aan te passen.²⁺.

Door atomistische simulaties en experimenten uit te voeren, bevestigde het onderzoeksteam dat de sucrosemoleculen de mobiliteit verbeterden en de dendrietgroei stopten zonder de stabiliteit in gevaar te brengen. In feite bood deze methode ook onverwachte voordelen:

“Bevindingen bevestigen dat sucrosemoleculen in de solvatatiemantel niet alleen de mobiliteit verbeteren, maar ook zorgen voor snelle Zn²⁺ kinetiek, maar beschermt ook de Zn-anode tegen watercorrosie en bereikt met succes Zn-dendrietvrije afzetting en onderdrukking van nevenreacties, “zei Liu.

Dit toont het grote potentieel aan van het gebruik van deze eenvoudige sucrose-modificatie voor toekomstige hoogwaardige zinkbatterijen en brengt het onderzoeksveld een stap dichter bij het uiteindelijke doel van het bereiken van een veilige, groene, hoogwaardige Zn-batterij.

“Hopelijk kan deze veilige, goedkope Zn-batterij worden toegepast in de opslag van energie op het elektriciteitsnet”, zei Liu.

Deze techniek leent zich ook voor aanvullende variaties en modificaties: Zn-koolstofcellen leveren een hogere energiedichtheid en verbeterde stabiliteit, wat wijst op een grote potentiële toepassing van met sucrose gemodificeerde elektrolyten voor toekomstige Zn-batterijen.

In toekomstige studies zullen de onderzoekers ook mogelijke use-cases en wegversperringen voor waterige zinkbatterijen overwegen, met name hoe ze extreme temperaturen aankunnen.

“De waterige elektrolyt van de Zn-batterij zal bij lage temperatuur worden ingevroren, dus we onderzoeken hoe we de temperatuurinvloed op de batterijprestaties kunnen aanpakken”, zei Liu.