Zink-Luft-Batterien (ZABs) gehören aufgrund ihrer vielen vorteilhaften Eigenschaften zu den vielversprechendsten Batterietechnologien der nächsten Generation. Vor allem haben diese Batterien einzigartige halboffene Strukturen, eine signifikante theoretische Energiedichte (1,086 und 1,370 Wh kg)-1 beim Einschließen bzw. Ausschließen von Sauerstoff), flexible Elektroden und ein inhärent wässriger Elektrolyt. Darüber hinaus ist Zink (Zn) im Gegensatz zu anderen in Batterien verwendeten Materialien weniger umweltschädlich und häufiger.
Forscher der Hanyang-Universität in Südkorea haben kürzlich einen neuen Typ von Zink-Luft-Beutelzellen entwickelt, der andere im Handel erhältliche Batterietechnologien übertreffen kann. Diese Beutelzellen, vorgestellt in einem Papier veröffentlicht in Nature EnergyVerwenden Sie (101) -Facet-Kupferphosphosulfat [CPS (101)] als Kathode, Frostschutz-Chitosan-Biocellulose als superionische Leiterelektrolyte und strukturiertes Zn als Anode.
"Frühere ZABs, die flüssige (6 M KOH) Elektrolyte verwendeten, versagten aufgrund der schleppenden Kinetik für die Sauerstoffreduktions- und Evolutionsreaktionen (ORR / OER) und der Irreversibilität von Zn, die die parasitären Reaktionen über weite Temperaturen begleiteten", so Jung-Ho Lee, einer der Forscher, die die Studie durchgeführt haben. „Diese Funktion hat uns dazu inspiriert, Festkörperelektrolyte wie funktionalisierte Bio-Cellulose zu entwickeln, die OH übertragen können- Ionen effektiv ohne parasitäre Reaktionen. “
Der von Lee und seinen Kollegen in ihren früheren Arbeiten erzeugte Elektrolyt auf FBN-Basis zeigte eine hohe Ionenleitfähigkeit von 64 mS cm-1 bei Raumtemperatur. Die Forscher stellten jedoch fest, dass es bei Problemen unter Null und hohen Temperaturen aufgrund von Problemen im Zusammenhang mit dem Einfrieren von Wasser und der Volumenexpansion nicht funktionierte.
In ihrer neuen Arbeit schlugen die Forscher daher vor, Chitosan-Bakterien-Cellulose (CBC) als Anionenaustausch-Festkörperelektrolyte zu verwenden. Diese Materialien bestehen im Wesentlichen aus Bio-Cellulose und Chitosan, gefolgt von der Vernetzung von quaternären Bindungen von 2,2,6,6-Tetramethylpiperidin-1-oxyl (TEMPO) und 1,4-Diazabicyclo [2.2.2] octan (DBO).
"Die beiden von uns verwendeten Schlüsselverfahren (TEMPO-Oxidation und DBO-Quaternisierung) haben die Frostschutz-Eigenschaften der Batterien sowie ihre Quellbeständigkeit, ihre Vernetzungsverträglichkeit und ihre Ionenerkennungsfähigkeit erheblich verbessert", sagte Lee. „Wasser existiert auch und überträgt sich in CBCs, aber seine Form ist molekulares Wasser, nicht flüssiges Wasser. Infolgedessen konnten wir auch bei -20 ° C eine überlegene Batterieleistung und gute Stabilität erzielen. “
Die von Lee und seinen Kollegen hergestellten Membranelektrolyte auf CBC-Basis wurden unter Verwendung einer Mischung von Hydroxidlösungen ionenausgetauscht. Sie zeigten somit einen niedrigeren pH-Wert als herkömmliche alkalische Elektrolyte. Das von den Forschern hergestellte nanofasrige CPS (101) wurde speziell für Beutelzellanwendungen synthetisiert.
"Da das optimale stöchiometrische Verhältnis von CPS (101) C: P: S = 1: 0.5: 0.5 ist, beeinflusst die Variation des stöchiometrischen Verhältnisses die elektrochemischen Leistungen während des Zellbetriebs entscheidend", sagte Lee. "Phosphor- und Schwefelanionen, die räumlich mit gleicher Koordination (gleiche Menge an Cu-S- und Cu-P-Bindungen) an Kupferkationen konjugiert sind, bewahrten in nachfolgenden Zyklen ziemlich stabile Strukturen kurzer und langer Ordnung."
Während die von den Forschern hergestellte Zn-Luft-Beutelzelle in Betrieb war und die FBN-Membran nicht in der Lage war, die Festelektrolyt-Interphase (SEI) zu bilden, erzeugten CBCs eine robuste SEI-Schicht, was zu einer überlegenen Lebensdauer führte. Darüber hinaus schützten CBCs die Anodenoberfläche vor Korrosion und Nebenreaktionen. Dies könnte längere Zyklen fördern als bei Batterien mit wässrigen Elektrolyten oder anderen Festkörperelektrolyten.
„Die überlegene Leitfähigkeit bei Raumtemperatur (86.7 mS cm)-1) ist der bisher gemeldete Championwert für Hydroxid-Superion-Leiter, der doppelt so hoch ist wie der von kommerziellem A201 “, sagte Lee. „5 µm dünn, 900 cm2-große CBC-Membranen können selbst bei einer kalten Temperatur von -20 einfach mit außergewöhnlicher mechanischer Robustheit gegossen werden oC in trockener Umgebung, während FBN, A201 oder Polysulfon leicht zu kleinen Fragmenten abgebaut werden. “
Die allgemeinen Anforderungen für Batterien der nächsten Generation sind eine Energiedichte auf Zellpack-Ebene von> 300 Wh kg-175 kWh-1, eine Schnellladekapazität in 15 Minuten (mindestens 80% Ladezeit) und die Fähigkeit, in einem weiten Temperaturbereich zu arbeiten. Um diese Anforderungen zu erfüllen, müssen Batterieentwickler eine Reihe von Einschränkungen überwinden und gleichzeitig sicherstellen, dass die Batterien sicher, elektrochemisch / mechanisch stabil sind, aus Materialien bestehen, die auf der Erde reichlich vorhanden und leicht zu recyceln sind, und bei einem breiten Temperaturbereich gut funktionieren .
In der Vergangenheit entwickelte ZABs erreichten auf Zellebene sehr niedrige Energiedichten, typischerweise von <40 Wh kg Zelle-1 bei einer geringen Stromdichte von <1 mA cm-2 und nur bei Raumtemperatur arbeiten. Diese Energiedichten sind erheblich niedriger als diejenigen, die für die Kommerzialisierung einer Batterie der nächsten Generation als angemessen erachtet werden.
"Die meisten gemeldeten Zn-Luft-Zellen folgen wahrscheinlich flachen Zyklen mit einer Entladungstiefe von 5 bis 10% (DOD), wodurch die mit den Li-Ionen-Batterien konkurrierende Zellenergie nicht erreicht werden kann", sagte Lee. „Obwohl nur wenige frühere Berichte die erforderliche Flächenenergie von 35 mWh cm beibehalten habengeo-2, ihre Zykluslebensdauer und DOD waren auf unter 100 Zyklen bzw. DOD von 5-10% beschränkt. Mindestens 20% DOD sind erforderlich, um eine spezifische Energie von 120 Wh kg zu erhaltenZelle-1Bisher folgten jedoch keine Arbeiten diesen Mindeststandards, die für handelsübliche Batterien erforderlich sind. “
In ihrer Arbeit stellten Lee und seine Kollegen flexible Zink-Luft-Beutelzellen mit einer Amperestunde (Ah) vor, die kommerziell rentabel sein könnten, da sie ultrahohe Energiedichten auf Zellebene (460 Wh kg) aufweisenZelle-1 und 1389 Wh l-1) in einem weiten Temperaturbereich (-20 bis 80 oC) mit einer hohen Ratenkapazität von 5-200 mA cm-2 über 6000 Zyklen für 20% DOD und 1100 Zyklen für 70% DOD. Diese Beutelzellen übertreffen viele im Handel erhältliche Li-Ionen-Batterien und andere häufig verwendete Batterien.
„Unsere Beutelzellen zeigten die höchste Energiedichte auf Zellebene von 523 ± 15 Wh kgZelle-1 (volumetrische Energiedichte von ~ 1609 ± 35 Wh l-1) für 350 Zyklen mit 70% DOD bei einer Stromdichte von 25 mA cm-2 durch Optimierung der Zellparameter “, sagte Lee. „Wir haben auch gezeigt, dass die volumetrische Energiedichte weiter auf ~ 1800 Wh L erhöht werden kann-1 bei einer Pouchzellenkapazität von ~20 Ah durch Anwendung einer bipolaren Stapelung Technologie (Erhöhung der Anzahl der Stapel). Diese Werte ermöglichen eine Reichweite von ca. 800–900 Meilen pro Ladung, eine 100-prozentige Ladefähigkeit innerhalb von 15 Minuten und eine Kilometerleistung von ca. 1 Million Meilen.
Nachdem sie weiter getestet wurden, konnten die neuen Zink-Luft-Beutelzellen in großem Maßstab hergestellt werden. Laut Lee und seinen Kollegen könnten sie möglicherweise auch zum Antrieb von Drohnen, Elektrofahrzeugen oder elektrischen Kurzstreckenflugzeugen verwendet werden.
"Wir vereinfachen jetzt die Syntheserezepte für CPS (Luftkathode) und CBCs (Festelektrolyt) für eine produktionswürdige Skalierung", fügte Lee hinzu. „Obwohl unsere ZABs normalerweise bei -20 bis 80 arbeiten oC versuchen wir auch, einen Betriebstemperaturbereich zu erweitern. Darüber hinaus werden wir die Verwendung von Aluminium anstelle von Zink in Betracht ziehen, um das Potenzial einer Aluminium-Luft zu bewerten austauschbare Akkus"