Zink-luchtbatterijen (ZAB's) behoren tot de meest veelbelovende batterijtechnologieën van de volgende generatie vanwege hun vele gunstige eigenschappen. Het meest opvallend is dat deze batterijen unieke halfopen structuren hebben, een aanzienlijke theoretische energiedichtheid (1,086 en 1,370 Wh kg-1 met en zonder zuurstof), flexibele elektroden en een inherent waterige elektrolyt. Bovendien is zink (Zn), in tegenstelling tot andere materialen die in batterijen worden gebruikt, minder schadelijk voor het milieu en overvloediger.
Onderzoekers van de Hanyang University in Zuid-Korea hebben onlangs een nieuw type zink-luchtzakcel ontworpen die beter presteert dan andere commercieel verkrijgbare batterijtechnologieën. Deze buidelcellen, gepresenteerd in een paper gepubliceerd in Nature Energie, gebruik (101) -facet koperen fosfosulfaat [CPS (101)] als een kathode, antivries chitosan-biocellulosica als superionische geleiderelektrolyten, en vorm Zn als de anode.
"Eerdere ZAB's die vloeibare (6 M KOH) elektrolyten gebruikten, faalden vanwege de trage kinetiek voor de zuurstofreductie en evolutiereacties (ORR / OER) en de onomkeerbaarheid van Zn die gepaard gingen met de parasitaire reacties bij hoge temperaturen," Jung-Ho Lee, een van de onderzoekers die het onderzoek hebben uitgevoerd. “Deze functie inspireerde ons om elektrolyten in vaste toestand te ontwikkelen, zoals gefunctionaliseerde biocellulose, die OH kan overbrengen- ionen effectief zonder parasitaire reacties. "
De op FBN gebaseerde elektrolyt gemaakt door Lee en zijn collega's in hun vorige werk vertoonde een hoge ionengeleiding van 64 mS cm-1 op kamertemperatuur. De onderzoekers ontdekten echter dat het niet werkte bij temperaturen onder het vriespunt en hoge temperaturen, vanwege problemen die verband houden met bevriezing van water en volume-expansie.
In hun nieuwe paper stelden de onderzoekers daarom voor om chitosan-bacteriële cellulose (CBC's) te gebruiken als anionenuitwisselende elektrolyten in vaste toestand. Deze materialen bestaan hoofdzakelijk uit bio-cellulose en chitosan, gevolgd door verknoping van quaternaire verbindingen van 2,2,6,6-tetramethylpiperidine-1-oxyl (TEMPO) en 1,4-diazabicyclo [2.2.2] octaan (DBO).
"De twee belangrijkste processen die we hebben gebruikt (TEMPO-oxidatie en DBO-quaternisering) hebben de antivrieskenmerken van de batterijen aanzienlijk verbeterd, evenals hun weerstand tegen zwelling, compatibiliteit voor crosslinking en ion-onderscheidende eigenschappen," zei Lee. “Water bestaat ook en wordt overgedragen in CBC's, maar de vorm ervan is moleculair water, niet vloeibaar water. Het resultaat was dat we superieure batterijprestaties en een goede stabiliteit konden verkrijgen, zelfs bij -20 ° C. "
De op CBC gebaseerde membraanelektrolyten die door Lee en zijn collega's waren vervaardigd, werden met behulp van een mengsel van hydroxideoplossingen ionenuitgewisseld. Ze vertoonden dus een lagere pH dan meer conventionele alkalische elektrolyten. Het door de onderzoekers bereide nanovezelachtige CPS (101) werd specifiek gesynthetiseerd voor buideltoepassingen.
"Aangezien de optimale stoichiometrische verhouding van CPS (101) C: P: S = 1: 0.5: 0.5 is, heeft de variatie van de stoichiometrische verhouding een kritische invloed op de elektrochemische prestaties tijdens celoperaties," zei Lee. "Fosfor- en zwavelanionen ruimtelijk geconjugeerd met gelijke coördinatie (dezelfde hoeveelheid Cu-S- en Cu-P-bindingen) tot koperkationen behouden redelijk stabiele korte- en lange-afstandsordeningsstructuren tijdens de daaropvolgende cycli."
Terwijl de door de onderzoekers vervaardigde Zn-luchtzakcel in bedrijf was, genereerden CBC's een robuuste SEI-laag, wat leidde tot een superieure levensduur. Bovendien beschermden CBC's het anode-oppervlak tegen corrosie en nevenreacties. Dit zou langere cycli kunnen bevorderen in vergelijking met die van batterijen met waterige elektrolyten of andere elektrolyten in vaste toestand.
“De superieure geleidbaarheid geregistreerd bij kamertemperatuur (86.7 mS cm-1) is de kampioenswaarde die tot nu toe is gerapporteerd voor hydroxide-superiongeleiders, die twee keer zo hoog is als die van de commerciële A201, ”zei Lee. “Een 5 µm dun, 900 cm2-formaat CBCs-membraan kan eenvoudig worden gegoten met uitzonderlijke mechanische robuustheid, zelfs bij een koude temperatuur van -20 oC in droge omgeving, terwijl FBN, A201 of polysulfon gemakkelijk wordt afgebroken tot kleine fragmenten. "
De algemene vereisten voor batterijen van de volgende generatie zijn een energiedichtheid op celniveau van> 300 Wh kg-1, US $ 75 kWh-1, een snellaadcapaciteit in 15 minuten (ten minste 80% opladen) en de mogelijkheid om te werken bij een breed temperatuurbereik. Om aan deze vereisten te voldoen, moeten batterijontwerpers een reeks beperkingen overwinnen, en er tegelijkertijd voor zorgen dat de batterijen veilig, elektrochemisch / mechanisch stabiel zijn, gebouwd met materialen die overvloedig aanwezig zijn op aarde en gemakkelijk te recyclen zijn, en goed functioneren bij een breed temperatuurbereik. .
ZAB's die in het verleden zijn ontwikkeld, bereikten zeer lage energiedichtheden op celniveau, typisch <40 Wh kg cel-1 bij een lage stroomdichtheid van <1 mA cm-2 en alleen werken bij kamertemperatuur. Deze energiedichtheden zijn aanzienlijk lager dan die welke geschikt worden geacht voor de commercialisering van een volgende generatie batterij.
"De meeste gerapporteerde Zn-lucht-cellen volgen waarschijnlijk ondiepe cycli van 5-10% ontladingsdiepte (DOD), wat niet in staat is om de competitieve celenergie te bereiken voor de Li-ion-batterijen," zei Lee. “Ook al behielden enkele eerdere rapporten de vereiste oppervlakte-energie van 35 mWh cmgeo--2, hun cyclusleven en DOD waren beperkt tot respectievelijk minder dan 100 cycli en DOD van 5-10%. Er is minimaal 20% DOD nodig om een specifieke energie van 120 Wh kg te verkrijgencel-1er was echter geen eerder werk dat deze minimumnormen volgde die vereist zijn voor commerciële batterijen. "
In hun paper introduceerden Lee en zijn collega's flexibele zink-luchtzakjes van één ampère-uur (Ah) die commercieel levensvatbaar zouden kunnen zijn, aangezien ze een ultrahoge energiedichtheid op celniveau vertonen (460 Wh kg).cel-1 en 1389 Wh l-1) bij een breed temperatuurbereik (-20 tot 80 oC), met een hoge capaciteit van 5-200 mA cm-2 meer dan 6000 cycli voor 20% DOD en 1100 cycli voor 70% DOD. Deze buidelcellen presteren beter dan veel in de handel verkrijgbare Li-ion-batterijen en andere veelgebruikte batterijen.
“Onze buidelcellen vertoonden de hoogste energiedichtheid op celniveau van 523 ± 15 Wh kgcel-1 (volumetrische energiedichtheid van ~ 1609 ± 35 Wh l-1) voor 350 cycli met 70% DOD bij een stroomdichtheid van 25 mA cm-2 door de celparameters te optimaliseren, ”zei Lee. “We hebben ook aangetoond dat de volumetrische energiedichtheid verder verhoogd kan worden tot ~ 1800 Wh L-1 bij een zakcelcapaciteit van ~20 Ah door een bipolaire stapeling toe te passen technologie (het aantal stapels vergroten). Deze waarden zorgen voor een rijbereik van ~800-900 mijl per oplaadbeurt, 100% oplaadcapaciteit binnen 15 minuten en een duurzaamheid van ~1 miljoen mijl.”
Nadat ze verder zijn getest, zouden de nieuwe zink-lucht pouch-cellen op grote schaal kunnen worden geproduceerd. Volgens Lee en zijn collega's kunnen ze mogelijk ook worden gebruikt voor het aandrijven van drones, elektrische voertuigen of elektrische korteafstandsvliegtuigen.
"We vereenvoudigen nu de syntheserecepten voor CPS (luchtkathode) en CBC's (vaste elektrolyt) voor productiewaardige opschaling," voegde Lee toe. “Hoewel onze ZAB's normaal gesproken op -20 tot 80 werken oC, we proberen ook om het temperatuurbereik van de werking te vergroten. Bovendien zullen we overwegen om aluminium te gebruiken in plaats van zink, om het potentieel van een aluminium-lucht te beoordelen Accu. '