Przełom w napięciu toruje drogę bezpiecznym i niedrogim akumulatorom

Badania opublikowane w prestiżowym czasopiśmie Dziennik Amerykańskiego Towarzystwa ChemicznegoZademonstrował sposób na poprawę napięcia wodnych akumulatorów cynkowo-jonowych, rodzaju akumulatorów zawierających wodny elektrolit.

W badanie zaangażowani są naukowcy z Uniwersytetu QUT Profesor Ziqi Sun, Profesor nadzwyczajny Dongchen QiFan Zhang z Wyższej Szkoły Chemii i Fizyki, Profesor Ting Liao I Profesor Cheng Yan Z Wyższej Szkoły Inżynierii Mechanicznej, Medycznej i Procesowej Doktor Aaron Micallef Z Centralnego Ośrodka Badań Analitycznych.

Profesor Ziqi Sun, z Szkoła Chemii i Fizyki QUT I Centrum Nauki o MateriałachPowiedział, że baterie wodne są używane od ponad stu lat, głównie jako baterie jednorazowe.

„Poprawa niskiego napięcia akumulatorów wodnych to jedna z największych przeszkód na drodze do ich powszechnego wdrożenia do wielu zastosowań” – stwierdził profesor Sun.

„W zwykłych akumulatorach do wypełnienia przestrzeni między anodą i katodą stosuje się elektrolity organiczne, są one drogie i, co najważniejsze, wysoce łatwopalne.

„Stosowanie elektrolitów wodnych może rozwiązać kwestię bezpieczeństwa akumulatorów litowo-jonowych, ponieważ elektrolity wodne są znacznie tańsze i bezpieczniejsze.

„Ale użycie wodnego elektrolitu w akumulatorach jest bardzo trudne.

„Ze względu na niskie napięcie wody (1,23 V) akumulatory wodne mają zazwyczaj okno niskiego napięcia, a co za tym idzie niską gęstość energii, co oznacza niższą wydajność akumulatorów w porównaniu ze zwykłymi akumulatorami organicznymi”.

Kolejnym wyzwaniem jest zwiększenie napięcia okna do 1,23 V za pomocą wodnego elektrolitu, powiedział Fan Zhang, pierwszy autor artykułu badawczego.

„Jeśli przyłożone napięcie będzie wyższe niż 1,23 wolta, wytworzy się wodór, co spowoduje puchnięcie akumulatora i możliwą eksplozję” – powiedział Zhang.

Profesor Sun powiedział, że badacze znaleźli sposób na zwiększenie napięcia w cynkowym akumulatorze wodnym, unikając jednocześnie potencjalnie niebezpiecznego gromadzenia się wodoru. Metoda ta została zainspirowana teorią Marcuse'a dotyczącą międzycząsteczkowego transferu elektronów w roztworze, dzięki której Rudolf Marcus otrzymał Nagrodę Nobla.

„W naszej pracy zastosowaliśmy związek organiczny zwany katecholem do wodnego elektrolitu siarczanu cynku, co zmienia model przeniesienia elektronów z normalnego przeniesienia pola wewnętrznego w elektrolicie na model przeniesienia pola zewnętrznego.

„W uproszczeniu oznacza to, że związek katecholowy przenosi elektron na jon cynku, powodując, że cząsteczki wody są bardziej stabilne, a potencjalnie niebezpieczna reakcja wodorowa jest kontrolowana”.

Profesor Sun stwierdził, że badania stanowią krok w kierunku zwiększenia wykorzystania baterii wodnych na bazie cynku, które, jak już wykazano, mają kilka kluczowych zalet.

Jony cynku mają dwukrotnie większy ładunek niż jony litu, co oznacza dwukrotnie większą energię. Baterie mogą być również mniejsze, ładować się szybciej i mieć kilkukrotnie dłuższy cykl ładowania.

„Mechanizm przenoszenia elektronów w polu zewnętrznym zapewnia nam nowy sposób projektowania wysokonapięciowych elektrolitów wodnych” – powiedział profesor Sun.

„Zastosowanie tego nowego typu elektrolitu wodnego dwukrotnie poprawia okno napięciowe i poprawia ogólną wydajność akumulatora od 1,5 do trzech razy lepiej niż w przypadku zwykłych elektrolitów wodnych.

„To duży krok w rozwoju akumulatorów wodnych do produkcji przemysłowej”.