De wereldwijde vraag naar oplaadbare batterijen is de afgelopen tien jaar exponentieel gegroeid, omdat ze nodig zijn om het toenemende aantal draagbare elektronische apparaten zoals smartphones, laptops, tabletten, slimme horloges en fitnesstrackers. Om zo efficiënt mogelijk te werken, oplaadbare batterijen moeten een hoge energiedichtheid hebben, maar ze moeten ook veilig zijn, stabiel en milieuvriendelijk.

Hoewel lithium-ionbatterijen (LIB's) nu enkele van de meest wijdverbreide oplaadbare energieopslagsystemen zijn, ze bevatten organische elektrolyten die zeer vluchtig zijn, wat hun veiligheid aanzienlijk vermindert. In recente jaren, onderzoekers hebben dus geprobeerd nieuwe batterijsamenstellingen te identificeren die geen ontvlambare en onstabiele elektrolyten bevatten.

Een van de meest veelbelovende alternatieven voor LIB's zijn batterijen op basis van niet-ontvlambare en goedkope elektrolyten op waterbasis, zoals loodzuur- en zink-mangaanbatterijen. Deze batterijen hebben tal van voordelen, waaronder meer veiligheid en lage productiekosten. Tot dusver, echter, hun optreden, werkspanning en oplaadbaarheid zijn enigszins beperkt in vergelijking met die van op lithium gebaseerde oplossingen.

Onderzoekers van het Key Laboratory of Advanced Ceramics and Machining Technology, het Tianjin Key Laboratory of Composite and Functional Materials en de Tianjin University in China hebben onlangs een nieuwe ontwerpstrategie geïntroduceerd die de prestaties van zink-mangaandioxide (Zn-MnO ₂ ) batterijen. De aanpak die ze ontwikkelden, gepresenteerd in een paper gepubliceerd in Natuur Energie , omvat het ontkoppelen van elektrolyten in de batterij om een ​​optimale redoxchemie in zowel Zn als MnO mogelijk te maken ₂ elektroden.

"Ons papier is onbedoeld ontstaan ​​toen we een alkalische Zn-MnO . assembleerden ₂ batterij met vers elektrolytisch afgezet MnO ₂ , die wat resterende H . heeft ₂ DUS ₄ (uit het elektrodepositiebad) op de MnO ₂ oppervlakte, " Prof. Cheng Zhong, een van de onderzoekers die het onderzoek heeft uitgevoerd, vertelde TechXplore. "De geassembleerde batterij vertoonde een extra hogere ontlaadspanning dan conventionele Zn-MnO ₂ batterijen, die ons aanmoedigde om dingen te strippen tot de basis, de basis leggen voor onze studie."

Prof. Zhong en zijn collega's ontdekten dat hun strategie voor het ontkoppelen van elektrolyten leidde tot beter presterende Zn-MnO ₂ batterijen met een nullastspanning van 2,83 V. Dit is een veelbelovend resultaat, gezien het feit dat meer conventionele Zn-MnO ₂ batterijen hebben meestal een spanning van 1,5 V.

De capaciteit van de batterij vervaardigd met behulp van hun elektrolyt-ontkoppelingsstrategie, genaamd DZBM, vervaagd met slechts 2% nadat het 200 uur continu was gebruikt en opgeladen. In aanvulling, de batterij behield 100% van zijn capaciteit bij verschillende ontlaadstroomdichtheden. Opmerkelijk, de onderzoekers toonden aan dat batterijen die met hun methode zijn gemaakt, ook kunnen worden geïntegreerd met wind- en fotovoltaïsche hybride energiesystemen, wat hun duurzaamheid verder vergroot.

"De strategie voor elektrolyt-ontkoppeling is gericht op het gelijktijdig mogelijk maken van de optimale redox-chemie van zowel het Zn als het MnO ₂ elektroden, " Prof. Zhong legde uit. De arbeidsomstandigheden van de MnO ₂ kathode en Zn-anode werden ontkoppeld om zowel zure MnO ₂ en alkalische Zn-redoxreacties in een enkele cel. De resulterende DZMB-batterij heeft een veel hogere werkspanning en een langere levensduur dan traditionele alkaline Zn-MnO ₂ batterijen."

In de toekomst, de nieuwe ontwerpstrategie geïntroduceerd door Prof. Zhong en zijn collega's zou kunnen worden gebruikt om nieuwe Zn-MnO . te produceren ₂ batterijen die goedkoop en veilig zijn, maar die ook uitzonderlijk hoge nullastspanningen en een langere levensduur hebben. Opmerkelijk, dezelfde strategie zou ook kunnen worden gebruikt om de prestaties van andere op zink gebaseerde waterige batterijen te verbeteren, inclusief die met Zn-Cu en Zn-Ag samenstellingen.

"Aangezien de kosten en prestaties van de modernste ionselectieve membranen nog steeds onbevredigend zijn, onze toekomstige onderzoeken zullen zich richten op de studies van ontkoppelingsontwerpen zonder de membranen te gebruiken, " zei prof. Zhong.

© 2020 Wetenschap X Netwerk