Çinko-hava pilleri (ZAB'ler), birçok avantajlı özelliğinden dolayı en umut verici yeni nesil pil teknolojileri arasında yer almaktadır. En önemlisi, bu piller benzersiz yarı açık yapılara, önemli bir teorik enerji yoğunluğuna (1,086 ve 1,370 Wh kg-XNUMX) sahiptir.-1 sırasıyla oksijen dahil ve hariç tutulduğunda), esnek elektrotlar ve doğası gereği sulu bir elektrolit. Üstelik Çinko (Zn) pillerde kullanılan diğer malzemelerin aksine çevreye daha az zararlı ve daha bol bulunuyor.
Güney Kore'deki Hanyang Üniversitesi'ndeki araştırmacılar yakın zamanda piyasada bulunan diğer pil teknolojilerinden daha iyi performans gösterebilecek yeni bir tür çinko-hava kese hücresi tasarladılar. Yayınlanan bir makalede sunulan bu kese hücreleri Doğa Enerjikatot olarak (101)-faset bakır fosfosülfat [CPS(101)], süper iyonik iletken elektrolitler olarak donma önleyici kitosan-biyoselülozikler ve anot olarak desenli Zn kullanın.
Jung-Ho Lee, "Sıvı (6 M KOH) elektrolitler kullanan önceki ZAB'ler, oksijen indirgeme ve evrim reaksiyonlarının (ORR/OER) yavaş kinetiği ve geniş sıcaklıklarda parazitik reaksiyonlara eşlik eden Zn'nin geri döndürülemezliği nedeniyle başarısız oldu" dedi. çalışmayı yürüten araştırmacılar. "Bu özellik bize, OH'yi aktarabilen işlevselleştirilmiş biyoselüloz gibi katı hal elektrolitleri geliştirme konusunda ilham verdi.- iyonları parazitik reaksiyonlar olmadan etkili bir şekilde çözer.
Lee ve meslektaşlarının önceki çalışmalarında oluşturdukları FBN bazlı elektrolit, 64 mS cmXNUMX'lik yüksek iyon iletkenliği sergiledi.-1 oda sıcaklığında. Ancak araştırmacılar, suyun donması ve hacim genişlemesiyle ilgili sorunlar nedeniyle sıfırın altındaki ve yüksek sıcaklıklarda çalışmadığını buldu.
Araştırmacılar yeni makalelerinde kitosan-bakteriyel-selüloziklerin (CBC'ler) anyon değiştirici, katı hal elektrolitleri olarak kullanılmasını önerdiler. Bu malzemeler esasen biyo-selüloz ve kitozanın ardından 2,2,6,6-tetrametilpiperidin-1-oksil (TEMPO) ve 1,4-diazabisiklo[2.2.2]oktan (DBO) dördüncül bağlantılarının çapraz bağlanmasından oluşur.
Lee, "Kullandığımız iki temel süreç (TEMPO oksidasyonu ve DBO kuaternizasyonu), pillerin donma önleme özelliklerinin yanı sıra şişmeye karşı dirençlerini, çapraz bağlanma uyumluluğunu ve iyon ayırt etme özelliklerini önemli ölçüde geliştirdi" dedi. "Su da CBC'lerin içinde mevcut ve aktarılıyor, ancak formu sıvı su değil, moleküler sudur. Sonuç olarak -20 °C'de bile üstün pil performansı ve iyi stabilite elde edebildik."
Lee ve meslektaşları tarafından üretilen CBC bazlı membran elektrolitleri, bir hidroksit çözeltileri karışımı kullanılarak iyon değişimine tabi tutuldu. Bu nedenle daha geleneksel alkalin elektrolitlerden daha düşük bir pH sergilediler. Araştırmacılar tarafından hazırlanan nano lifli CPS(101), kese hücre uygulamaları için özel olarak sentezlendi.
Lee, "CPS(101)'in optimal stokiyometrik oranı C:P:S = 1:0.5:0.5 olduğundan, stokiyometrik oranın değişimi hücre operasyonları sırasında elektrokimyasal performansları kritik derecede etkiliyor" dedi. "Bakır katyonlarına eşit koordinasyonla (aynı miktarda Cu-S ve Cu-P bağları) uzaysal olarak konjuge edilen fosfor ve kükürt anyonları, sonraki döngüler sırasında oldukça kararlı kısa ve uzun menzilli düzen yapılarını korudu."
Araştırmacılar tarafından üretilen Zn-hava kese hücresi çalışırken, FBN membranı katı-elektrolit ara fazını (SEI) oluşturamazsa, CBC'ler sağlam bir SEI katmanı oluşturdu ve bu da üstün bir döngü ömrüne yol açtı. Ayrıca CBC'ler anot yüzeyini korozyondan ve yan reaksiyonlardan korumuştur. Bu, sulu elektrolitler veya diğer katı hal elektrolitleri içeren pillerle elde edilenlere kıyasla daha uzun döngüleri teşvik edebilir.
“Oda sıcaklığında kaydedilen üstün iletkenlik (86.7 mS cm-1) hidroksit süperiletkenleri için bugüne kadar bildirilen şampiyon değeridir ve ticari A201'in iki katı kadar yüksektir" dedi Lee. “5 µm inceliğinde, 900 cm2boyutunda CBC membranı, -20°C soğuk sıcaklıkta bile olağanüstü mekanik sağlamlıkla kolayca dökülebilir oKuru ortamda C, FBN, A201 veya polisülfon ise kolaylıkla küçük parçalara ayrışır.
Yeni nesil piller için genel gereksinimler, hücre paketi düzeyinde enerji yoğunluğunun >300 Wh kg olmasıdır-1, 75 ABD Doları kWh-115 dakikada hızlı şarj kapasitesi (en az %80 şarj) ve geniş bir sıcaklık aralığında çalışma yeteneği. Bu gereklilikleri karşılamak için pil tasarımcılarının bir dizi sınırlamanın üstesinden gelmesi ve aynı zamanda pillerin güvenli, elektrokimyasal/mekanik olarak kararlı olmasını, Dünya'da bol miktarda bulunan ve geri dönüştürülmesi kolay malzemelerden yapılmış olmasını ve geniş bir sıcaklık aralığında iyi çalışmasını sağlaması gerekir. .
Geçmişte geliştirilen ZAB'ler hücre seviyesinde çok düşük enerji yoğunluklarına ulaştı; tipik olarak <40 Wh kg- hücre-1 <1 mA cm'lik düşük akım yoğunluğunda-2 ve yalnızca oda sıcaklığında çalışır. Bu enerji yoğunlukları, yeni nesil pillerin ticarileştirilmesi için uygun görülenlerden önemli ölçüde daha düşüktür.
Lee, "Bildirilen Zn-hava hücrelerinin çoğunun, %5-10 deşarj derinliğindeki (DOD) sığ döngüleri takip etmesi muhtemeldir, bu da Li-iyon pillere rekabetçi hücre enerjisi elde edememektedir" dedi. “Önceki birkaç raporda gerekli olan 35 mWh cmXNUMX alan enerjisi korunsa dageo-2, döngü ömürleri ve DOD sırasıyla 100 döngünün altında ve DOD %5-10 ile sınırlandırıldı. 20 Wh kg spesifik enerji elde etmek için en az %120 DOD gereklidirhücre-1ancak daha önce hiçbir çalışma ticari piller için gerekli olan bu minimum standartları takip etmedi."
Lee ve meslektaşları makalelerinde, ultra yüksek hücre düzeyinde enerji yoğunlukları (460 Wh kg-XNUMX) sergiledikleri için ticari olarak uygun olabilecek bir amper saatlik (Ah) esnek çinko-hava kese hücrelerini tanıttılar.hücre-1 ve 1389 Wh l-1) geniş bir sıcaklık aralığında (-20 ila 80 oC), 5-200 mA cmXNUMX yüksek hız kapasitesine sahip-2 %6000 DOD için 20'den fazla döngü ve %1100 DOD için 70 döngü. Bu kese hücreleri, piyasada bulunan birçok Li-ion pilden ve yaygın olarak kullanılan diğer pillerden daha iyi performans gösterir.
"Kese hücrelerimiz 523 ± 15 Wh kg-hücre düzeyinde en yüksek enerji yoğunluğunu gösterdihücre-1 (~1609 ± 35 Wh l hacimsel enerji yoğunluğu-1) 350 mA cm akım yoğunluğunda %70 DOD ile 25 döngü için-2 Hücre parametrelerini optimize ederek," dedi Lee. "Ayrıca hacimsel enerji yoğunluğunun ~1800 Wh L'ye kadar artırılabileceğini de gösterdik.-1 bipolar istifleme uygulayarak ~20 Ah kese hücre kapasitesinde teknoloji (yığın sayısını arttırmak). Bu değerler, şarj başına ~800-900 mil sürüş menziline, 100 dakikada %15 şarj kapasitesine ve ~1 milyon mil kilometre dayanıklılığına olanak tanıyor.”
Daha fazla test edildikten sonra yeni çinko-hava kese hücreleri büyük ölçekte üretilebilecek. Lee ve meslektaşlarına göre bunlar potansiyel olarak drone'lara, elektrikli araçlara veya elektrikli kısa mesafe uçaklarına güç sağlamak için de kullanılabilir.
Lee, "Artık üretime değer ölçeklendirme için CPS (hava katodu) ve CBC'ler (katı elektrolit) sentez tariflerini basitleştiriyoruz" diye ekledi. "ZAB'larımız normalde -20 ila 80 derece arasında çalışsa da oC'de çalışma sıcaklığı aralığını da genişletmeye çalışıyoruz. Ayrıca alüminyum-hava karışımının potansiyelini değerlendirmek için çinko yerine alüminyum kullanmayı değerlendireceğiz. pil".