Gelaagde oxiden kunnen de basis vormen van hoogwaardige materialen voor batterij-elektroden. Een KAUST-team heeft een goedkope en eenvoudige techniek ontwikkeld die dit cruciale element voor oplaadbare zink-ioncellen creëert.

Lithium-ionbatterijen voeden de meeste van onze dagelijkse elektronische apparaten, zoals mobiele telefoons en laptops. Maar er is een groeiende behoefte om energie op veel grotere schaal op te slaan, zoals het vasthouden van de door zonnecellen opgewekte elektriciteit voor gebruik 's nachts. Het opschalen van lithium-ionbatterijtechnologie tot een dergelijke toepassing op industrieel niveau is duur en brengt ernstige veiligheidsproblemen met zich mee. inclusief toxiciteit en de ontvlambaarheid van de elektrolyten.

Het team, geleid door Husam Alshareef, ontwikkelt in plaats daarvan zink-ionbatterijen die een elektrolyt op waterbasis gebruiken, die de voordelen heeft luchtstabiel te zijn, veilig, milieuvriendelijk en goedkoop. "Waterige batterijen op basis van zinkionen kunnen een veiliger, kosteneffectieve oplossing voor lithium-ionbatterijen voor netopslag, " zegt Alshareef. "Verder, ze gebruiken milieuvriendelijkere materialen dan loodzuurbatterijen."

Lithium-ion- en zink-ionbatterijen werken door ionen elektrisch op te slaan in een elektrode. Tijdens het opladen, ionen stromen door een elektrolyt van de ene elektrode naar de andere, waar ze worden opgevangen door een proces dat intercalatie wordt genoemd. Dit betekent dat elektrodematerialen essentieel zijn voor het optimaliseren van de prestaties van een batterij.

Een materiaalfamilie die veelbelovend is gebleken in recent onderzoek naar zink-ionbatterijen, zijn verbindingen op basis van vanadium. Deze materialen hebben een gelaagde en zeer open atoomkristalstructuur met veel ruimte voor het opvangen en opslaan van zinkionen.

Het team heeft nu een microgolfbenadering ontwikkeld om ultralange zinkpyrovanadaat (Zn3V2O7(OH)2·2H2O) kathoden snel te synthetiseren. Ze mengden Zn(NO3)2·2H2O met commercieel NH4VO3-poeder, elk opgelost in gedeïoniseerd water, en toegepaste microgolfstraling om een ​​reactie te induceren. Het resulterende materiaal werd vervolgens gedroogd voordat het in een batterij werd gebruikt.

Deze zink-ionbatterij, ze laten zien, kan een energiedichtheid van maar liefst 214 wattuur per kilogram bereiken, dat veel hoger is dan eerder gerapporteerde waterige zink-ionbatterijen en commerciële loodzuurbatterijen, met verbeterde stabiliteit.

Het team gelooft dat hun microgolftechniek ook nuttig kan zijn voor het maken van andere metaalpyrovanadaatverbindingen, legt Chuan Xia uit, doctoraat student en hoofdauteur van de studie. "We hebben al verbindingen gemaakt waarin zink wordt vervangen door andere kationen die grotere metaaloxideveelvlakken creëren die nog grotere hoeveelheden zinkionen kunnen intercaleren, ' zegt Xia.