แบตเตอรี่สังกะสี - อากาศ (ZAB) เป็นหนึ่งในเทคโนโลยีแบตเตอรี่ยุคหน้าที่มีแนวโน้มมากที่สุดเนื่องจากมีคุณสมบัติที่เป็นประโยชน์หลายประการ โดยเฉพาะอย่างยิ่งแบตเตอรี่เหล่านี้มีโครงสร้างครึ่งเปิดที่ไม่เหมือนใครซึ่งมีความหนาแน่นของพลังงานตามทฤษฎีที่สำคัญ (1,086 และ 1,370 Wh kg-1 เมื่อรวมและไม่รวมออกซิเจนตามลำดับ) อิเล็กโทรดแบบยืดหยุ่นและอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นน้ำโดยธรรมชาติ ยิ่งไปกว่านั้นในทางตรงกันข้ามกับวัสดุอื่น ๆ ที่ใช้ในแบตเตอรี่สังกะสี (Zn) ยังไม่เป็นอันตรายต่อสิ่งแวดล้อมและมีปริมาณมากขึ้น
นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยฮันยางในเกาหลีใต้เพิ่งออกแบบเซลล์ซองอากาศสังกะสีรูปแบบใหม่ที่มีประสิทธิภาพเหนือกว่าเทคโนโลยีแบตเตอรี่อื่น ๆ ที่มีจำหน่ายทั่วไป เซลล์กระเป๋าเหล่านี้นำเสนอในกระดาษที่ตีพิมพ์ใน พลังงานธรรมชาติ, ใช้ (101) -facet copper phosphosulfate [CPS (101)] เป็นแคโทด, ไคโตซาน - ไบโอเซลลูโลสต่อต้านการแช่แข็งเป็นอิเล็กโทรไลต์ตัวนำไฟฟ้าแบบซุปเปอร์ไอออนิกและมีลวดลาย Zn เป็นขั้วบวก
“ ZAB ก่อนหน้านี้ที่ใช้อิเล็กโทรไลต์เหลว (6 M KOH) ล้มเหลวเนื่องจากจลนพลศาสตร์ที่ซบเซาในการลดออกซิเจนและปฏิกิริยาวิวัฒนาการ (ORR / OER) และความไม่สามารถย้อนกลับได้ของ Zn ที่มาพร้อมกับปฏิกิริยาปรสิตในอุณหภูมิที่กว้าง” จุงโฮลีหนึ่งใน นักวิจัยที่ทำการศึกษา “ คุณลักษณะนี้เป็นแรงบันดาลใจให้เราพัฒนาอิเล็กโทรไลต์สถานะของแข็งเช่นเซลลูโลสชีวภาพที่ใช้งานได้ซึ่งสามารถถ่ายโอน OH- ไอออนได้อย่างมีประสิทธิภาพโดยไม่เกิดปฏิกิริยาปรสิต”
อิเล็กโทรไลต์ที่ใช้ FBN ซึ่งสร้างขึ้นโดย Lee และเพื่อนร่วมงานของเขาในงานก่อนหน้านี้มีการนำอิออนสูงถึง 64 mS cm-1 ที่อุณหภูมิห้อง อย่างไรก็ตามนักวิจัยพบว่ามันไม่ทำงานที่อุณหภูมิต่ำกว่าศูนย์และอุณหภูมิสูงเนื่องจากปัญหาที่เกี่ยวข้องกับการแช่แข็งของน้ำและการขยายตัวของปริมาตร
ในเอกสารใหม่ของพวกเขานักวิจัยจึงแนะนำให้ใช้ไคโตซาน - แบคทีเรีย - เซลลูโลส (CBCs) เป็นอิเล็กโทรไลต์ที่แลกเปลี่ยนประจุลบและเป็นของแข็ง วัสดุเหล่านี้โดยพื้นฐานแล้วประกอบด้วยเซลลูโลสชีวภาพและไคโตซานตามด้วยการเชื่อมขวางของ 2,2,6,6-tetramethylpiperidine-1-oxyl (TEMPO) และ 1,4-diazabicyclo [2.2.2] ออกเทน (DBO) การเชื่อมโยงแบบควอเทอร์นารี
“ กระบวนการสำคัญสองอย่างที่เราใช้ (TEMPO oxidation และ DBO quaternization) ช่วยปรับปรุงคุณสมบัติการป้องกันการแช่แข็งของแบตเตอรี่อย่างมีนัยสำคัญรวมทั้งความต้านทานต่อการบวมความเข้ากันได้สำหรับการเชื่อมขวางและคุณสมบัติในการแยกแยะไอออน” ลีกล่าว “ น้ำยังมีอยู่และถ่ายเทภายใน CBC ได้ แต่รูปแบบของมันเป็นน้ำโมเลกุลไม่ใช่น้ำเหลว ด้วยเหตุนี้เราจึงได้รับประสิทธิภาพแบตเตอรี่ที่เหนือกว่าและมีเสถียรภาพที่ดีแม้ในอุณหภูมิ -20 ° C "
อิเล็กโทรไลต์เมมเบรนที่ใช้ CBC ประดิษฐ์โดยลีและเพื่อนร่วมงานของเขาได้รับการแลกเปลี่ยนไอออนโดยใช้สารละลายไฮดรอกไซด์ผสมกัน จึงแสดงค่า pH ที่ต่ำกว่าอิเล็กโทรไลต์อัลคาไลน์ทั่วไป CPS นาโนไฟเบอร์ (101) ที่จัดทำโดยนักวิจัยได้รับการสังเคราะห์ขึ้นโดยเฉพาะสำหรับการใช้งานเซลล์กระเป๋า
“ เนื่องจากอัตราส่วนสโตอิชิโอเมตริกที่เหมาะสมของ CPS (101) คือ C: P: S = 1: 0.5: 0.5 ความแปรผันของอัตราส่วนสโตอิจิโอเมตริกจึงมีอิทธิพลอย่างมากต่อการแสดงทางเคมีไฟฟ้าระหว่างการทำงานของเซลล์” ลีกล่าว “ ฟอสฟอรัสและแอนไอออนกำมะถันเชิงพื้นที่ผันโดยการประสานที่เท่ากัน (พันธะ Cu-S และ Cu-P ในปริมาณเท่ากัน) กับไอออนทองแดงที่รักษาโครงสร้างการสั่งซื้อระยะสั้นและระยะยาวที่ค่อนข้างคงที่ในรอบต่อ ๆ ไป”
ในขณะที่เซลล์กระเป๋า Zn-air ประดิษฐ์โดยนักวิจัยกำลังดำเนินการอยู่หากเมมเบรน FBN ไม่สามารถสร้างอินเตอร์เฟสที่เป็นของแข็งอิเล็กโทรไลต์ (SEI) ได้ CBCs จะสร้างชั้น SEI ที่แข็งแกร่งซึ่งนำไปสู่วงจรชีวิตที่เหนือกว่า ยิ่งไปกว่านั้น CBC ยังป้องกันพื้นผิวขั้วบวกจากการกัดกร่อนและปฏิกิริยาข้างเคียง สิ่งนี้สามารถส่งเสริมวงจรที่ยาวนานขึ้นเมื่อเทียบกับแบตเตอรี่ที่มีอิเล็กโทรไลต์ในน้ำหรืออิเล็กโทรไลต์โซลิดสเตตอื่น ๆ
“ ค่าการนำไฟฟ้าที่เหนือกว่าบันทึกที่อุณหภูมิห้อง (86.7 mS cm-1) เป็นค่าแชมเปี้ยนที่รายงานจนถึงปัจจุบันสำหรับตัวนำไฮดรอกไซด์ซูเปอร์ออนซึ่งสูงกว่า A201 เชิงพาณิชย์ถึงสองเท่า” ลีกล่าว “ บาง 5 µm 900 cm2- เมมเบรน CBCs ขนาดสามารถหล่อด้วยความแข็งแรงเชิงกลที่ยอดเยี่ยมแม้ในอุณหภูมิเย็น -20 oC ในสภาพแวดล้อมที่แห้งในขณะที่ FBN, A201 หรือ polysulfone สามารถย่อยสลายเป็นชิ้นส่วนเล็ก ๆ ได้ง่าย "
ข้อกำหนดทั่วไปสำหรับแบตเตอรี่รุ่นใหม่คือความหนาแน่นของพลังงานระดับเซลล์แพ็ค> 300 Wh kg-175 ดอลลาร์สหรัฐกิโลวัตต์ชั่วโมง-1ความจุการชาร์จที่รวดเร็วใน 15 นาที (การชาร์จอย่างน้อย 80%) และความสามารถในการทำงานที่อุณหภูมิที่หลากหลาย เพื่อให้เป็นไปตามข้อกำหนดเหล่านี้ผู้ออกแบบแบตเตอรี่จะต้องเอาชนะข้อ จำกัด ต่างๆในขณะเดียวกันก็ต้องดูแลให้แบตเตอรี่มีความปลอดภัยมีความเสถียรทางไฟฟ้า / ทางกลไกสร้างขึ้นด้วยวัสดุที่มีอยู่มากมายบนโลกและง่ายต่อการรีไซเคิลและทำงานได้ดีในช่วงอุณหภูมิที่กว้าง .
ZAB ที่พัฒนาขึ้นในอดีตมีความหนาแน่นของพลังงานต่ำมากที่ระดับเซลล์โดยทั่วไปคือ <40 Wh kg เซลล์-1 ที่ความหนาแน่นกระแสต่ำ <1 mA ซม-2 และทำงานที่อุณหภูมิห้องเท่านั้น ความหนาแน่นของพลังงานเหล่านี้ต่ำกว่าที่เห็นว่าเหมาะสมสำหรับการใช้งานในเชิงพาณิชย์ของแบตเตอรี่รุ่นต่อไปอย่างมีนัยสำคัญ
“ เซลล์ Zn-air ที่ได้รับรายงานส่วนใหญ่มีแนวโน้มที่จะติดตามการหมุนเวียนของน้ำตื้นที่ระดับความลึก 5-10% ของการคายประจุ (DOD) ซึ่งไม่สามารถบรรลุพลังงานเซลล์ที่แข่งขันกับแบตเตอรี่ Li-ion ได้” ลีกล่าว “ แม้ว่ารายงานก่อนหน้านี้ไม่กี่ฉบับจะยังคงมีพลังงานที่ต้องการอยู่ที่ 35 mWh cmภูมิศาสตร์-2วงจรชีวิตและ DOD ถูก จำกัด ให้ต่ำกว่า 100 รอบและ DOD 5-10% ตามลำดับ จำเป็นต้องมี DOD อย่างน้อย 20% เพื่อให้ได้พลังงานเฉพาะ 120 Wh kgเซลล์-1อย่างไรก็ตามไม่มีงานก่อนหน้านี้เป็นไปตามมาตรฐานขั้นต่ำที่กำหนดไว้สำหรับแบตเตอรี่เชิงพาณิชย์”
ในเอกสารของพวกเขาลีและเพื่อนร่วมงานของเขาได้แนะนำเซลล์กระเป๋าสังกะสีแบบยืดหยุ่นหนึ่งชั่วโมง (Ah) ซึ่งสามารถทำงานได้ในเชิงพาณิชย์เนื่องจากมีความหนาแน่นของพลังงานระดับเซลล์สูงมาก (460 Wh kgเซลล์-1 และ 1389 Wh l-1) ที่อุณหภูมิช่วงกว้าง (-20 ถึง 80 oC) ที่มีอัตราความจุสูง 5-200 mA cm-2 มากกว่า 6000 รอบสำหรับ 20% DOD และ 1100 รอบสำหรับ 70% DOD เซลล์กระเป๋าเหล่านี้มีประสิทธิภาพดีกว่าแบตเตอรี่ Li-ion ที่มีจำหน่ายทั่วไปและแบตเตอรี่ที่ใช้กันทั่วไปอื่น ๆ
“ เซลล์กระเป๋าของเรามีความหนาแน่นของพลังงานระดับเซลล์สูงสุดที่ 523 ± 15 Wh kgเซลล์-1 (ความหนาแน่นของพลังงานเชิงปริมาตร ~ 1609 ± 35 Wh l-1) เป็นเวลา 350 รอบโดยมี DOD 70% ที่ความหนาแน่นกระแส 25 mA cm-2 โดยการปรับพารามิเตอร์ของเซลล์ให้เหมาะสม” ลีกล่าว “ เรายังแสดงให้เห็นว่าความหนาแน่นของพลังงานเชิงปริมาตรสามารถเพิ่มขึ้นได้อีกถึง ~ 1800 Wh L-1 ที่ความจุเซลล์กระเป๋าประมาณ ~ 20 Ah โดยการใช้การซ้อนแบบไบโพลาร์ เทคโนโลยี (เพิ่มจำนวนสแต็ค) ค่าเหล่านี้ช่วยให้มีระยะการขับขี่ประมาณ 800-900 ไมล์ต่อการชาร์จหนึ่งครั้ง ความสามารถในการชาร์จ 100% ภายใน 15 นาที และความทนทานของระยะทางประมาณ 1 ล้านไมล์”
หลังจากได้รับการทดสอบเพิ่มเติมแล้วเซลล์ถุงลมสังกะสีใหม่สามารถผลิตได้ในปริมาณมาก ตามที่ Lee และเพื่อนร่วมงานของเขาพวกเขาอาจถูกใช้เพื่อขับเคลื่อนโดรนยานพาหนะไฟฟ้าหรือเครื่องบินไฟฟ้าระยะสั้น
“ ตอนนี้เรากำลังลดความซับซ้อนของสูตรการสังเคราะห์สำหรับ CPS (แคโทดอากาศ) และ CBC (อิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็ง) เพื่อการปรับขนาดที่คุ้มค่าในการผลิต” ลีกล่าวเสริม “ แม้ว่าโดยปกติ ZAB ของเราจะทำงานที่ -20 ถึง 80 oC เราพยายามทำให้ช่วงอุณหภูมิการทำงานกว้างขึ้นด้วย นอกจากนี้เราจะพิจารณาใช้อลูมิเนียมแทนสังกะสีเพื่อประเมินศักยภาพของอลูมิเนียมอากาศ แบตเตอรี่".