Bateri zink-udara (ZAB) adalah antara teknologi bateri generasi akan datang yang paling menjanjikan kerana banyak kelebihannya. Yang paling ketara, bateri ini mempunyai struktur separuh terbuka yang unik, ketumpatan tenaga teori yang ketara (1,086 dan 1,370 Wh kg-1 apabila termasuk dan tidak termasuk oksigen, masing-masing), elektrod fleksibel, dan elektrolit berair yang wujud. Lebih-lebih lagi, berbeza dengan bahan lain yang digunakan dalam bateri, Zinc (Zn) kurang berbahaya bagi alam sekitar dan lebih banyak.
Penyelidik di Universiti Hanyang di Korea Selatan baru-baru ini merancang jenis sel kantung udara-zink baru yang dapat mengungguli teknologi bateri lain yang tersedia secara komersial. Sel kantung ini, dibentangkan dalam makalah yang diterbitkan di Tenaga Alam, gunakan (101) -faset fosfosulfat tembaga [CPS (101)] sebagai katod, kitosan-biocellulosics anti-pembekuan sebagai elektrolit konduktor super-ionik, dan corak Zn sebagai anoda.
"ZAB sebelumnya yang menggunakan elektrolit cair (6 M KOH) gagal kerana kinetik yang lambat untuk pengurangan oksigen dan reaksi evolusi (ORR / OER) dan tidak dapat dipulihkan Zn yang menyertai reaksi parasit pada suhu yang luas," Jung-Ho Lee, salah satu penyelidik yang menjalankan kajian. "Ciri ini memberi inspirasi kepada kita untuk mengembangkan elektrolit keadaan pepejal, seperti selulosa bio yang berfungsi, yang mampu memindahkan OH- ion dengan berkesan tanpa reaksi parasit. "
Elektrolit berasaskan FBN yang dicipta oleh Lee dan rakan-rakannya dalam karya sebelumnya menunjukkan kekonduksian ion tinggi 64 mS cm-1 pada suhu bilik. Walau bagaimanapun, para penyelidik mendapati bahawa ia tidak berfungsi pada suhu bawah sifar dan tinggi, kerana masalah yang berkaitan dengan pembekuan air dan pengembangan isipadu.
Dalam makalah baru mereka, para penyelidik mencadangkan penggunaan kitosan-bakteria-selulosa (CBC) sebagai elektrolit pertukaran-anion, keadaan pepejal. Bahan-bahan ini pada asasnya terdiri daripada bio-selulosa dan kitosan, diikuti dengan penyambungan silang 2,2,6,6-tetramethylpiperidine-1-oxyl (TEMPO) dan 1,4-diazabicyclo [2.2.2] octane (DBO) hubungan kuarter.
"Dua proses utama yang kami gunakan (pengoksidaan TEMPO dan kuaternisasi DBO) dengan ketara meningkatkan ciri anti-pembekuan bateri, serta ketahanannya terhadap pembengkakan, keserasian untuk penyambungan silang, dan harta penentu ion," kata Lee. "Air juga ada dan mengalir ke dalam CBC, tetapi bentuknya adalah air molekul, bukan air cair. Hasilnya, kami dapat memperoleh prestasi bateri yang unggul dan kestabilan yang baik bahkan pada -20 ° C. "
Elektrolit membran berasaskan CBC yang dibuat oleh Lee dan rakannya bertukar-tukar ion menggunakan campuran larutan hidroksida. Oleh itu, mereka menunjukkan pH yang lebih rendah daripada elektrolit alkali yang lebih konvensional. CPS nano-berserat (101) yang disiapkan oleh para penyelidik secara khusus disintesis untuk aplikasi sel kantung.
"Oleh kerana nisbah stoikiometri optimum CPS (101) adalah C: P: S = 1: 0.5: 0.5, variasi nisbah stoikiometrik sangat mempengaruhi prestasi elektrokimia semasa operasi sel," kata Lee. "Anion fosfor dan sulfur secara spasial disatukan dengan koordinasi yang sama (jumlah ikatan Cu-S dan Cu-P yang sama) dengan kation tembaga yang dipelihara struktur pesanan jarak pendek dan jarak jauh yang cukup stabil semasa kitaran berikutnya."
Walaupun sel kantong Zn-air yang dibuat oleh para penyelidik sedang beroperasi, jika membran FBN tidak dapat membentuk interphase pepejal-elektrolit (SEI), CBC menghasilkan lapisan SEI yang kuat, yang menyebabkan kehidupan kitaran yang unggul. Lebih-lebih lagi, CBC melindungi permukaan anod dari kakisan dan tindak balas sampingan. Ini dapat mendorong kitaran yang lebih lama berbanding dengan yang dicapai oleh bateri dengan elektrolit berair atau elektrolit keadaan pepejal yang lain.
"Kekonduksian unggul dicatatkan pada suhu bilik (86.7 mS cm-1) adalah nilai juara yang dilaporkan setakat ini untuk konduktor superion hidroksida, yang dua kali lebih tinggi daripada A201 komersial, "kata Lee. "Tebal 5-µm, 900-cm2- Membran ukuran CBC boleh dilancarkan dengan kekuatan mekanikal yang luar biasa walaupun pada suhu sejuk -20 oC di tempat kering, sedangkan FBN, A201, atau polysulfone dengan mudah merosot menjadi serpihan kecil. "
Keperluan umum untuk bateri generasi seterusnya adalah ketumpatan tenaga tahap pek sel> 300 Wh kg-1, US $ 75 kWj-1, kapasiti pengecasan pantas dalam 15 min (sekurang-kurangnya 80% pengecasan), dan kemampuan untuk beroperasi pada suhu yang luas. Untuk memenuhi keperluan ini, pereka bateri mesti mengatasi serangkaian batasan, dan juga memastikan bahawa bateri selamat, stabil secara elektrokimia / mekanik, dibina dengan bahan yang banyak di Bumi dan mudah dikitar semula, dan berfungsi dengan baik pada suhu yang luas .
ZAB yang dikembangkan pada masa lalu mencapai ketumpatan tenaga yang sangat rendah pada tahap sel, biasanya <40 Wh kg sel-1 pada ketumpatan arus rendah <1 mA cm-2 dan hanya beroperasi pada suhu bilik. Ketumpatan tenaga ini jauh lebih rendah daripada yang difikirkan sesuai untuk pengkomersialan bateri generasi akan datang.
"Sel-sel Zn-udara yang paling dilaporkan cenderung mengikuti kitaran cetek dengan 5-10% kedalaman pelepasan (DOD), yang tidak dapat mencapai tenaga sel yang kompetitif dengan bateri Li-ion," kata Lee. "Walaupun beberapa laporan sebelumnya mengekalkan tenaga yang diperlukan 35 mWh cmgeo-2, hayat kitaran mereka, dan DOD masing-masing dihadkan di bawah 100 kitaran dan DOD 5-10%. Sekurang-kurangnya 20% DOD diperlukan untuk mendapatkan tenaga spesifik 120 Wh kgsel-1, bagaimanapun, tidak ada pekerjaan sebelumnya yang mengikuti standard minimum ini yang diperlukan untuk bateri komersial. "
Dalam makalah mereka, Lee dan rakan-rakannya memperkenalkan sel kantong zink-udara fleksibel satu-ampere-jam (Ah) yang boleh digunakan secara komersial, kerana mereka menunjukkan ketumpatan tenaga tahap sel ultrahigh (460 Wh kgsel-1 dan 1389 Wh l-1) pada suhu yang luas (-20 hingga 80 oC), dengan kapasiti kadar tinggi 5-200 mA cm-2 lebih daripada 6000 kitaran untuk 20% DOD dan 1100 kitaran untuk 70% DOD. Sel kantung ini mengatasi banyak bateri Li-ion yang tersedia secara komersial dan bateri lain yang biasa digunakan.
“Sel kantung kami menunjukkan ketumpatan tenaga tahap sel tertinggi iaitu 523 ± 15 Wh kgsel-1 (ketumpatan tenaga volumetrik ~ 1609 ± 35 Wh l-1) untuk 350 kitaran dengan 70% DOD pada ketumpatan arus 25 mA cm-2 dengan mengoptimumkan parameter sel, ”kata Lee. "Kami juga menunjukkan bahawa ketumpatan tenaga volumetrik dapat ditingkatkan menjadi ~ 1800 Wh L-1 pada kapasiti sel kantung ~20 Ah dengan menggunakan tindanan bipolar teknologi (menambah bilangan tindanan). Nilai ini membolehkan jarak pemanduan ~800-900 batu setiap cas, keupayaan pengecasan 100% dalam masa 15 minit, dan ketahanan perbatuan ~1 juta batu.”
Setelah mereka diuji lebih jauh, sel kantung udara-zink baru dapat dihasilkan secara besar-besaran. Menurut Lee dan rakan-rakannya, mereka berpotensi juga digunakan untuk menggerakkan drone, kenderaan elektrik, atau pesawat jarak pendek elektrik.
"Kami sekarang menyederhanakan resipi sintesis untuk CPS (katod udara) dan CBC (elektrolit padat) untuk peningkatan pengeluaran yang layak," tambah Lee. "Walaupun ZAB kami biasanya beroperasi pada -20 hingga 80 oC, kami juga berusaha menjadikan julat suhu operasi lebih luas. Sebagai tambahan, kami akan mempertimbangkan untuk menggunakan aluminium dan bukannya zink, untuk menilai potensi udara aluminium bateri"