Energieopslag met oplaadbare batterijtechnologieën drijft onze digitale levensstijl aan en ondersteunt de integratie van hernieuwbare energie in het elektriciteitsnet. Het functioneren van batterijen onder koude omstandigheden is echter een voortdurende uitdaging en motiveert onderzoekers om de prestaties van batterijen bij lage temperaturen te verbeteren. Waterige batterijen (in een vloeibare oplossing) doen het beter dan niet-waterige batterijen in termen van snelheidscapaciteit (een maat voor de energie die per tijdseenheid wordt ontladen) bij lage temperaturen.

Nieuw onderzoek van ingenieurs van de China University of Hong Kong gepubliceerd op 17 april in Nano Research Energy stelt optimale ontwerpelementen voor van waterige elektrolyten voor gebruik in waterige batterijen bij lage temperatuur. Het onderzoek beoordeelt de fysisch-chemische eigenschappen van waterige elektrolyten op basis van verschillende meetwaarden:fasediagrammen, ionendiffusiesnelheden en de kinetiek van de redoxreacties.

De belangrijkste uitdagingen voor waterige batterijen bij lage temperaturen zijn dat de elektrolyten bevriezen, de ionen langzaam diffunderen en de redoxkinetiek (elektronenoverdrachtsprocessen) bijgevolg traag zijn. Deze parameters hangen nauw samen met de fysisch-chemische eigenschappen van de waterige elektrolyten bij lage temperatuur die in batterijen worden gebruikt.

Om de batterijprestaties onder koude omstandigheden te verbeteren, is daarom inzicht nodig in hoe de elektrolyten op koude reageren (–50 ^o C tot –95 ^o C). Studie auteur en universitair hoofddocent Yi-Chun Lu zegt dat "het belangrijk is om de temperatuurafhankelijke fysisch-chemische eigenschappen van waterige elektrolyten te onderzoeken om het ontwerp van waterige elektrolyten bij lage temperatuur (LT-AB's) te verkrijgen, -AE's)."

Evaluatie van waterige elektrolyten

De onderzoekers vergeleken verschillende LT-AE's die worden gebruikt in technologieën voor energieopslag, waaronder waterige Li ⁺ /Na ⁺ /K ⁺ /H ⁺ /Zn ²⁺ -batterijen, supercondensatoren en stroombatterijen. De studie verzamelde informatie uit vele andere rapporten over de prestaties van diverse LT-AE's, bijvoorbeeld een antivries hydrogelelektrolyt voor een waterige Zn/MnO₂ accu; en een ethyleenglycol (EG)-H₂ Op O gebaseerde hybride elektrolyt voor een Zn-metaalbatterij.

De studie onderzocht systematisch evenwichts- en niet-evenwichtsfasediagrammen voor deze gerapporteerde LT-AE's om hun antivriesmechanismen te begrijpen. De fasediagrammen lieten zien hoe de elektrolytfase verandert bij veranderende temperaturen. De studie onderzocht ook de geleidbaarheid in LT-AE's met betrekking tot temperatuur, elektrolytconcentraties en ladingsdragers.

Studie auteur Lu voorspelde dat "ideale antivries waterige elektrolyten niet alleen een lage vriestemperatuur T moeten vertonen _m maar hebben ook een sterk onderkoelend vermogen", d.w.z. het vloeibare elektrolytmedium moet zelfs onder het vriespunt vloeibaar blijven, waardoor ionentransport bij ultralage temperatuur mogelijk wordt.

De auteurs van het onderzoek ontdekten dat de LT-AE's die batterijen in staat stellen om bij ultralage temperaturen te werken, inderdaad meestal lage vriespunten en sterke onderkoelingscapaciteiten vertonen. Verder stelt Lu voor dat "het sterke onderkoelingsvermogen kan worden gerealiseerd door de minimale kristallisatietijd τ te verbeteren en de verhoudingswaarde van de glasovergangstemperatuur en de vriestemperatuur te verhogen (T _g /T _m ) van elektrolyten."

De ladingsgeleidbaarheid van de gerapporteerde LT-AE's voor gebruik in batterijen kan worden verbeterd door de hoeveelheid energie die nodig is om ionenoverdracht te laten plaatsvinden te verlagen, de concentratie van elektrolyten aan te passen en bepaalde ladingsdragers te kiezen die snelle redoxreactiesnelheden bevorderen. Lu zegt dat "het verlagen van de diffusie-activeringsenergie, het optimaliseren van de elektrolytconcentratie, het kiezen van ladingsdragers met een lage gehydrateerde straal en het ontwerpen van een gecoördineerd diffusiemechanisme [s] effectieve strategieën zouden zijn om de ionische geleidbaarheid van LT-AE's te verbeteren."

In de toekomst hopen de auteurs de fysisch-chemische eigenschappen van elektrolyten die bijdragen aan verbeterde prestaties van waterige batterijen bij lage temperaturen verder te bestuderen. "We willen hoogwaardige waterige batterijen met een lage temperatuur (LT-AB's) ontwikkelen door waterige elektrolyten te ontwerpen met een lage vriestemperatuur, een sterk onderkoelend vermogen, een hoge ionische geleidbaarheid en een snelle grensvlak-redoxkinetiek", zegt Lu. + Verder verkennen

Ontwikkelen van een breed temperatuurbereik en hoogspannings waterige MXene planaire micro-supercondensatoren