Terwijl wetenschappers hoopten dat oplaadbare zink-mangaandioxidebatterijen zouden kunnen worden ontwikkeld tot een levensvatbaar alternatief voor rasteropslagtoepassingen, hebben ingenieurs van de Universiteit van Illinois Chicago en hun collega's de redenen geïdentificeerd waarom deze op zink gebaseerde brandstofsystemen falen.

De wetenschappers kwamen tot deze conclusie na gebruik te hebben gemaakt van geavanceerde elektronenmicroscopie, elektrochemische experimenten en theoretische berekeningen om nader te bekijken hoe de zinkanode werkt met de mangaankathode in het batterijsysteem.

Hun bevindingen worden vandaag gerapporteerd in Nature Sustainability .

"Zink en mangaan hebben afzonderlijk zeer gunstige eigenschappen voor duurzame batterijen van hoge kwaliteit, maar wanneer ze in een volledig systeem worden gecombineerd, is hun intercalatie - hun oplaadbaarheid - discutabel, en enkele recente onderzoeken suggereren dat het inbrengen en verwijderen van zink in mangaandioxide verantwoordelijk is voor de oplaadbaarheid van de cellen", zegt hoofdauteur Reza Shahbazian-Yassar, UIC-hoogleraar mechanische en industriële techniek aan het College of Engineering.

"Met deze studie toonden we aan dat er eigenlijk geen microscopisch bewijs is van heropname van zink in mangaandioxide, en wat eerder werd beschouwd als indicatoren voor opladen, was van positief geladen waterstofionen die in het mangaan werden ingebracht, niet zink."

In hun experimenten bouwden de onderzoekers waterige zink-mangaandioxidecellen en testten ze gedurende 100 cycli. Ze ontlaadden en probeerden de batterijen op te laden in experimenten terwijl ze elektronenmicroscopie gebruikten om beelden op atomair niveau van de reacties vast te leggen.

"We zagen dat de waterstof verantwoordelijk is voor de schade aan de tunnelstructuren van mangaandioxide, waardoor het potentieel van de batterij om op te laden verder wordt verminderd", zei Shahbazian-Yassar. "De informatie die we met deze experimenten hebben verkregen, onthult belangrijke atomaire inzichten in de mechanismen van de zink-mangaanbatterij. Nu we weten wat er op celniveau gebeurt, hebben we een kompas om betere strategieën te vinden."

Shahbazian-Yassar zei dat verschillende celstructuren het systeem gunstiger kunnen maken voor het inbrengen van zink of misschien strategieën om de waterstofprotonen te benutten. + Verder verkennen

Onderzoekers turen in tunnels ter grootte van een atoom op zoek naar een betere batterij