Opnieuw vestigen van de Universiteit van Maryland (UMD) als leider in de ontwikkeling van baanbrekende batterijtechnologie, een team onder leiding van onderzoekers van UMD's A. James Clark School of Engineering heeft een zinkbatterij op waterbasis gemaakt die tegelijkertijd krachtig is, oplaadbaar, en intrinsiek veilig. Een peer-reviewed artikel op basis van het onderzoek werd op 16 april gepubliceerd in het high-impact tijdschrift Natuurmaterialen .

Samen met collega's van het U.S. Army Research Laboratory (ARL) en het National Institute of Standards and Technology (NIST), de UMD-ingenieurs combineerden oude batterijtechnologie (metaalzink) met nieuwe (water-in-zoutelektrolyten). Voortbouwend op eerdere UMD-vooruitgang om veiligere batterijen te maken met behulp van een nieuwe waterige elektrolyt in plaats van de ontvlambare organische elektrolyt die wordt gebruikt in conventionele lithium-ionbatterijen, de onderzoekers verhoogden de energie van de waterige batterij door metallisch zink - gebruikt als de anode van de allereerste batterij - en zijn zout ook aan de elektrolyt toe te voegen.

"Batterijen op waterbasis kunnen cruciaal zijn om branden in elektronica te voorkomen, maar hun energieopslag en -capaciteit waren tot nu toe beperkt. Voor de eerste keer, we hebben een batterij die kan concurreren met de lithium-ionbatterijen in energiedichtheid, maar zonder het risico van explosie of brand, " zegt Fei Wang, een gezamenlijk benoemde postdoctoraal medewerker aan UMD's Clark School en ARL, en eerste auteur van het artikel.

De onderzoekers zeggen dat de nieuwe waterige zinkbatterij uiteindelijk niet alleen in consumentenelektronica kan worden gebruikt, maar maar ook in extreme omstandigheden om de prestaties van veiligheidskritieke voertuigen zoals die in de ruimtevaart te verbeteren, leger, en diepzee-omgevingen.

Als een voorbeeld van de kracht en veiligheid van de waterige zinkbatterij, Fei Wang citeert de talrijke incidenten met batterijbranden in mobiele telefoons, laptops, en elektrische auto's die in de recente media-aandacht naar voren kwamen. De nieuwe waterige zinkbatterij die in dit werk wordt gepresenteerd, zou het antwoord kunnen zijn op de roep om veilige batterijchemie, terwijl de vergelijkbare of zelfs hogere energiedichtheid van conventionele lithium-ionbatterijen behouden blijft.

Deze sterk geconcentreerde waterige zinkbatterij overwint ook andere nadelen van conventionele zinkbatterijen, zoals het vermogen om slechts beperkte oplaadcycli te doorstaan, dendriet (boomachtige structuren van kristallen) groei tijdens gebruik en opladen, en duurzaam waterverbruik, wat resulteert in de noodzaak om de elektrolyt van de batterijen regelmatig met water bij te vullen.

"Bestaande zinkbatterijen zijn veilig en relatief goedkoop te produceren, maar ze zijn niet perfect vanwege de slechte levensduur en de lage energiedichtheid. We overwinnen deze uitdagingen door een water-in-zout elektrolyt te gebruiken, " zegt Chunsheng Wang, UMD-hoogleraar chemische en biomoleculaire engineering en corresponderende auteur van het artikel.

Verder, in deze gezamenlijke inspanning, de onderzoekers identificeerden de fundamentele reden die onomkeerbaarheid in zinkbatterijen veroorzaakt - een fenomeen dat wordt waargenomen bij het gebruik van oplaadbare batterijen waarbij de hoeveelheid lading die een batterij kan leveren bij de nominale spanning afneemt met gebruik - en vonden een nieuwe oplossing hiervoor. Het geheim was om de solvatatiebolstructuur van zinkkation (positief geladen ionen) te veranderen.

"Omdat de meeste watermoleculen in de nieuwe elektrolyt sterk gebonden zijn door het sterk geconcentreerde zout, het water in de elektrolyt van de waterige zinkbatterij verdampt niet in een open cel. Deze vooruitgang zorgt voor een revolutie in zink-luchtbatterijen, die worden aangedreven door zink te oxideren met zuurstof uit de lucht, zoals die worden gebruikt in de opslag van energienetten, ", voegt Chunsheng Wang toe.

Het onderzoeksteam zegt dat deze vooruitgang in batterijtechnologie de basis legt voor verder onderzoek. en ze zijn hoopvol voor mogelijke toekomstige commercialisering.

"Zinkbatterijen zouden een krachtige en goedkope manier van energieopslag bieden als ze oplaadbaar zouden kunnen zijn. Dit onderzoek heeft manieren blootgelegd om te bepalen welke moleculen in de elektrolyt de ionen omringen die heen en weer bewegen in een batterij bij het opslaan en vrijgeven van energie. Hier, de co-auteurs pasten deze kennis toe om een ​​zeer oplaadbare zinkbatterij te maken die een goedkope, veilig alternatief voor consumentenelektronica, auto's, en elektriciteitsnetopslag, " zegt Joseph Dura, een natuurkundige bij NIST en co-auteur van het artikel.

"De belangrijke ontdekking die in dit werk is gedaan, heeft het kernprobleem van waterige zinkbatterijen geraakt, en kan van invloed zijn op andere waterige of niet-waterige multivalente kationchemicaliën die met vergelijkbare uitdagingen worden geconfronteerd, zoals magnesium- en aluminiumbatterijen, " zegt Kang Xu, ARL mede- en co-corresponderende auteur van dit artikel.