Een anodevrije zinkbatterij die ooit hernieuwbare energie zou kunnen opslaan

Hernieuwbare energiebronnen, zoals wind- en zonne-energie, kunnen de afhankelijkheid van de wereld van fossiele brandstoffen helpen verminderen. Maar eerst hebben energiebedrijven een veilige, kosteneffectieve manier nodig om de energie op te slaan voor later gebruik. Enorme lithium-ionbatterijen kunnen het werk doen, maar ze hebben te kampen met veiligheidsproblemen en een beperkte beschikbaarheid van lithium. Nu rapporteren onderzoekers in ACS ‘ Nano Letters hebben een prototype gemaakt van een anodevrije batterij op zinkbasis die gebruikmaakt van goedkope, van nature overvloedige materialen.

Waterige op zink gebaseerde batterijen zijn eerder onderzocht voor energieopslag op netschaal vanwege hun veiligheid en hoge energiedichtheid. Bovendien zijn de materialen die worden gebruikt om ze te maken van nature in overvloed aanwezig. De tot dusver ontwikkelde oplaadbare zinkbatterijen hebben echter dikke zinkmetaalanodes nodig, die een grote overmaat zink bevatten, wat de kosten verhoogt. Ook zijn de anodes vatbaar voor het vormen van dendrieten – kristallijne uitsteeksels van zinkmetaal die zich tijdens het opladen op de anode afzetten – die de batterij kunnen kortsluiten. Yunpei Zhu, Yi Cui en Husam Alshareef vroegen zich af of een zinkanode echt nodig was. Geïnspireerd door eerdere verkenningen van “anodevrije” lithium- en natriummetaalbatterijen, besloten de onderzoekers een batterij te maken waarin een zinkrijke kathode de enige bron is voor verzinken op een koperen stroomcollector.

In hun batterij gebruikten de onderzoekers een mangaandioxide-kathode die ze vooraf hadden geïntercaleerd met zinkionen, een waterige zinktrifluormethaansulfonaat-elektrolytoplossing en een koperfoliestroomcollector. Tijdens het opladen wordt zinkmetaal op de koperfolie geplateerd en tijdens het ontladen wordt het metaal verwijderd, waardoor elektronen vrijkomen die de batterij voeden. Om de vorming van dendrieten te voorkomen, hebben de onderzoekers de koperen stroomcollector bedekt met een laag koolstofnanodiscs. Deze laag bevorderde een uniforme verzinking, waardoor dendrieten werden voorkomen, en verhoogde de efficiëntie van verzinken en strippen. De batterij vertoonde een hoog rendement, energiedichtheid en stabiliteit en behield 62,8% van zijn opslagcapaciteit na 80 laad- en ontlaadcycli. Het anodevrije batterijontwerp opent nieuwe richtingen voor het gebruik van waterige op zink gebaseerde batterijen in energieopslagsystemen, zeggen de onderzoekers.