Nieuw 2D-superrooster verlengt de levensduur van de zink-ionbatterij

Wetenschappers van het National Graphene Institute aan de Universiteit van Manchester en de University of Technology Sydney hebben een nieuwe manier ontwikkeld om de levensduur van zinkbatterijen te verbeteren en bieden een veiliger en duurzamere optie voor energieopslag.

Het team ontwierp een tweedimensionaal (2D) mangaan-oxide/grafeen-superrooster dat een uniek roosterbrede rekmechanisme activeert. Deze benadering verhoogt de structurele stabiliteit van het kathodemateriaal van de batterij aanzienlijk, waardoor deze op betrouwbare wijze meer dan 5.000 ladingsontladingscycli kan werken. Dat is ongeveer 50% langer dan de huidige zink-ionbatterijen.

Het onderzoek, gepubliceerd in Natuurcommunicatiebiedt een praktische route naar schaalbare, watergebaseerde energieopslagtechnologieën.

Atomisch niveau controle over de duurzaamheid van de batterij

De doorbraak draait om een ​​fenomeen dat het coöperatieve Jahn-Teller Effect (CJTE) wordt genoemd. Een gecoördineerde roostervervorming veroorzaakt door een specifieke 1: 1 -verhouding van mangaanionen (Mn³⁺ en Mn⁴⁺). Wanneer ingebouwd in een gelaagde 2D-structuur op grafeen, produceert deze verhouding een langeafstand, uniforme spanning over het materiaal.

Die spanning helpt de kathode de afbraak te weerstaan ​​tijdens herhaald fietsen.

Het resultaat is een goedkope, waterige zink-ionbatterij die presteert met een grotere duurzaamheid, en zonder de veiligheidsrisico’s gekoppeld aan lithium-ioncellen.

“Dit werk laat zien hoe 2D -materiële heterostructuren kunnen worden ontworpen voor schaalbare toepassingen,” zei Prof Guoxiu Wang, hoofd en bijbehorende auteur van de University of Technology Sydney en een Royal Society Wolfson die Fellow is aan de Universiteit van Manchester.

“Onze aanpak laat zien dat superroosterontwerp niet alleen een nieuwigheid op het laboratorium is, maar ook een haalbare route naar het verbeteren van real-world apparaten zoals oplaadbare batterijen. Het benadrukt hoe 2D-materiaalinnovatie kan worden vertaald in praktische technologieën.”

Naar betere opslag van gridschaal

Zink-ionbatterijen worden algemeen gezien als een veelbelovende kandidaat voor stationaire opslag, waarbij hernieuwbare energie voor huizen, bedrijven of het Power Grid wordt opgehouden. Maar tot nu toe heeft hun beperkte levensduur het gebruik van real-world beperkt.

Deze studie laat zien hoe chemische controle op atoomniveau die barrière kan overwinnen.

Co-correspondende auteur Prof Rahul Nair van de Universiteit van Manchester zei: “Ons onderzoek opent een nieuwe grens in stamtechniek voor 2D-materialen. Door de coöperatieve Jahn-Teller Effect te induceren, hebben we aangetoond dat het mogelijk is om de magnetische, mechanische en optische eigenschappen van materialen te verfijnen in manieren die voorheen niet schietbaar waren.”

Het team heeft ook aangetoond dat hun syntheseproces op schaal werkt met behulp van op water gebaseerde methoden, zonder giftige oplosmiddelen of extreme temperaturen-een stap voorwaarts in het maken van zink-ionbatterijen die praktischer maken voor de productie.