Baterai Zinc-air (ZAB) adalah salah satu teknologi baterai generasi mendatang yang paling menjanjikan karena banyak karakteristiknya yang menguntungkan. Terutama, baterai ini memiliki struktur setengah terbuka yang unik, kepadatan energi teoretis yang signifikan (1,086 dan 1,370 Wh kg-1 ketika memasukkan dan tidak termasuk oksigen, masing-masing), elektroda fleksibel, dan elektrolit berair yang melekat. Selain itu, berbeda dengan bahan lain yang digunakan dalam baterai, Seng (Zn) tidak terlalu berbahaya bagi lingkungan dan lebih melimpah.
Para peneliti di Universitas Hanyang di Korea Selatan baru-baru ini merancang jenis sel kantong seng-udara baru yang dapat mengungguli teknologi baterai lain yang tersedia secara komersial. Sel kantong ini, disajikan dalam makalah yang diterbitkan di alam Energi, gunakan (101) -faset tembaga fosfosulfat [CPS (101)] sebagai katoda, kitosan-bioselulosa anti pembekuan sebagai elektrolit konduktor ionik super, dan berpola Zn sebagai anoda.
“ZAB sebelumnya yang menggunakan elektrolit cair (6 M KOH) gagal karena kinetika yang lamban untuk reaksi reduksi dan evolusi oksigen (ORR / OER) dan ireversibilitas Zn yang menyertai reaksi parasit pada suhu yang luas,” Jung-Ho Lee, salah satu dari peneliti yang melakukan penelitian. “Fitur ini menginspirasi kami untuk mengembangkan elektrolit solid-state, seperti bio selulosa yang difungsikan, yang mampu mentransfer OH- ion secara efektif tanpa reaksi parasit. "
Elektrolit berbasis FBN yang dibuat oleh Lee dan rekan-rekannya pada penelitian sebelumnya menunjukkan konduktivitas ion tinggi 64 mS cm.-1 pada suhu kamar. Namun, para peneliti menemukan bahwa itu tidak bekerja pada suhu di bawah nol dan suhu tinggi, karena masalah yang terkait dengan pembekuan air dan ekspansi volume.
Dalam makalah baru mereka, para peneliti menyarankan penggunaan kitosan-bakteri-selulosa (CBC) sebagai pertukaran anion, elektrolit solid-state. Bahan-bahan ini pada dasarnya terdiri dari bio-selulosa dan kitosan, diikuti dengan ikatan silang 2,2,6,6-tetramethylpiperidine-1-oxyl (TEMPO) dan 1,4-diazabicyclo [2.2.2] oktan (DBO) keterkaitan kuaterner.
"Dua proses utama yang kami gunakan (oksidasi TEMPO dan quaternization DBO) secara signifikan meningkatkan karakteristik anti-pembekuan baterai, serta ketahanannya terhadap pembengkakan, kompatibilitas untuk ikatan silang, dan properti yang membedakan ion," kata Lee. “Air juga ada dan ditransfer ke dalam CBC, tetapi bentuknya adalah air molekuler, bukan air cair. Hasilnya, kami dapat memperoleh kinerja baterai yang superior dan stabilitas yang baik bahkan pada suhu -20 ° C. ”
Elektrolit membran berbasis CBC yang dibuat oleh Lee dan rekan-rekannya ditukar ion menggunakan campuran larutan hidroksida. Dengan demikian, mereka menunjukkan pH yang lebih rendah daripada elektrolit alkali yang lebih konvensional. CPS berserat nano (101) yang disiapkan oleh para peneliti secara khusus disintesis untuk aplikasi sel kantong.
“Karena rasio stoikiometri optimal dari CPS (101) adalah C: P: S = 1: 0.5: 0.5, variasi rasio stoikiometri sangat mempengaruhi kinerja elektrokimia selama operasi sel,” kata Lee. “Anion fosfor dan belerang terkonjugasi secara spasial dengan koordinasi yang sama (jumlah ikatan Cu-S dan Cu-P yang sama) ke kation tembaga mempertahankan struktur orde jarak pendek dan jarak jauh yang cukup stabil selama siklus berikutnya.”
Sementara sel kantong udara Zn yang dibuat oleh para peneliti beroperasi, jika membran FBN tidak dapat membentuk solid-electrolyte interfase (SEI), CBC menghasilkan lapisan SEI yang kuat, yang mengarah pada siklus hidup yang lebih baik. Selain itu, CBC melindungi permukaan anoda dari korosi dan reaksi samping. Ini dapat mendorong siklus yang lebih lama dibandingkan dengan yang dicapai oleh baterai dengan elektrolit air atau elektrolit solid-state lainnya.
“Konduktivitas superior tercatat pada suhu kamar (86.7 mS cm-1) adalah nilai champion yang dilaporkan hingga saat ini untuk konduktor superion hidroksida, yang dua kali lebih tinggi dari A201 komersial, ”kata Lee. “Sebuah setipis 5 µm, 900 cm2-ukuran membran CBCs dapat dengan mudah dilemparkan dengan ketahanan mekanis yang luar biasa bahkan pada suhu dingin -20 oC dalam ruangan kering, sedangkan FBN, A201, atau polisulfon mudah terurai menjadi fragmen kecil. "
Persyaratan umum untuk baterai generasi berikutnya adalah kepadatan energi tingkat paket sel> 300 Wh kg-1, US $ 75 kWh-1, kapasitas pengisian cepat dalam 15 menit (setidaknya pengisian 80%), dan kemampuan untuk beroperasi pada berbagai suhu. Untuk memenuhi persyaratan ini, perancang baterai harus mengatasi serangkaian batasan, sekaligus memastikan bahwa baterai aman, stabil secara elektrokimia / mekanis, dibuat dengan bahan yang melimpah di Bumi dan mudah didaur ulang, serta berfungsi dengan baik pada berbagai suhu. .
ZAB yang dikembangkan di masa lalu mencapai kepadatan energi yang sangat rendah pada tingkat sel, biasanya <40 Wh kg sel-1 pada rapat arus rendah <1 mA cm-2 dan hanya beroperasi pada suhu kamar. Kepadatan energi ini secara signifikan lebih rendah daripada yang dianggap sesuai untuk komersialisasi baterai generasi berikutnya.
"Sebagian besar sel Zn-air yang dilaporkan kemungkinan mengikuti siklus dangkal dengan kedalaman 5-10% dari debit (DOD), yang tidak dapat mencapai energi sel kompetitif untuk baterai Li-ion," kata Lee. “Meskipun beberapa laporan sebelumnya mempertahankan energi areal yang dibutuhkan sebesar 35 mWh cmgeo-2, siklus hidup mereka, dan DOD dibatasi masing-masing di bawah 100 siklus dan DOD 5-10%. Diperlukan setidaknya 20% DOD untuk mendapatkan energi spesifik 120 Wh kgsel-1, namun, tidak ada pekerjaan sebelumnya yang mengikuti standar minimum yang disyaratkan untuk baterai komersial. "
Dalam makalah mereka, Lee dan rekan-rekannya memperkenalkan sel kantong udara-seng fleksibel satu ampere-jam (Ah) yang dapat digunakan secara komersial, karena mereka menunjukkan kepadatan energi tingkat sel yang sangat tinggi (460 Wh kgsel-1 dan 1389 Wh l-1) pada berbagai suhu (-20 hingga 80 oC), dengan kapasitas laju tinggi 5-200 mA cm-2 lebih dari 6000 siklus untuk 20% DOD dan 1100 siklus untuk 70% DOD. Sel kantong ini mengungguli banyak baterai Li-ion yang tersedia secara komersial dan baterai lain yang biasa digunakan.
“Sel kantong kami menunjukkan kepadatan energi tingkat sel tertinggi yaitu 523 ± 15 Wh kgsel-1 (kerapatan energi volumetrik ~ 1609 ± 35 Wh l-1) untuk 350 siklus dengan 70% DOD pada rapat arus 25 mA cm-2 dengan mengoptimalkan parameter sel, ”kata Lee. “Kami juga menunjukkan bahwa kepadatan energi volumetrik dapat ditingkatkan lebih lanjut menjadi ~ 1800 Wh L-1 pada kapasitas sel kantong ~20 Ah dengan menerapkan penumpukan bipolar teknologi (menambah jumlah tumpukan). Nilai-nilai ini memungkinkan jangkauan berkendara ~800-900 mil per pengisian daya, kemampuan pengisian daya 100% dalam waktu 15 menit, dan ketahanan jarak tempuh ~1 juta mil.”
Setelah diuji lebih lanjut, sel kantong seng-udara baru dapat diproduksi dalam skala besar. Menurut Lee dan rekan-rekannya, mereka berpotensi juga digunakan untuk menggerakkan drone, kendaraan listrik, atau pesawat listrik jarak pendek.
"Kami sekarang menyederhanakan resep sintesis untuk CPS (katoda udara) dan CBC (elektrolit padat) untuk peningkatan produksi yang layak," tambah Lee. “Meskipun ZAB kami biasanya beroperasi pada -20 hingga 80 oC, kami juga mencoba membuat rentang suhu operasi lebih luas. Selain itu, kami akan mempertimbangkan untuk menggunakan aluminium sebagai pengganti seng, untuk menilai potensi aluminium-udara baterai. "