Wetenschappers onder leiding van een onderzoeker van de Oregon State University hebben een nieuwe elektrolyt ontwikkeld die de efficiëntie van de zinkmetaalanode in zinkbatterijen verhoogt tot bijna 100%, een doorbraak op weg naar een alternatief voor lithium-ionbatterijen voor grootschalige energieopslag.
Het onderzoek maakt deel uit van een doorlopende wereldwijde zoektocht naar nieuwe batterijchemie die kan worden opgeborgen om hernieuwbare zonne- en windenergie op het elektrische rooster op te slaan voor gebruik wanneer de zon niet schijnt en de wind niet waait.
Xiulei [David "Ji van het OSU College of Science en een samenwerking met HP Inc. en Grotthuss Inc., een spinout -bedrijf in Oregon, rapporteerde hun bevindingen in de duurzaamheid van de natuur .
[De doorbraak vormt een aanzienlijke vooruitgang om zinkmetaalbatterijen toegankelijker te maken voor consumenten, "zei Ji. [Deze batterijen zijn essentieel voor de installatie van extra zonne- en windparken. Bovendien bieden ze een veilige en efficiënte oplossing voor thuisopslag in huis voor thuis. , evenals energieopslagmodules voor gemeenschappen die kwetsbaar zijn voor natuurrampen. "
Een batterij slaat elektriciteit op in de vorm van chemische energie en door reacties zet deze om in elektrische energie. Er zijn veel verschillende soorten batterijen, maar de meeste werken op dezelfde basisweg en bevatten dezelfde basiscomponenten. Elke batterij heeft twee elektroden - de anode, waaruit elektronen in een extern circuit stromen, en de kathode, die elektronen van het externe circuit krijgt - en de elektrolyt, het chemische medium dat de elektroden scheidt en de stroom van ionen ertussen mogelijk maakt .
Vertrouwen op een metaal dat veilig en overvloedig is, zijn op zink gebaseerde batterijen energiegericht en gezien als een mogelijk alternatief voor opslag van raster-energie om lithium-ionbatterijen op wijduiters te gebruiken, waarvan de productie afhankelijk is van krimpende voorraden van zeldzame metalen zoals kobalt en nikkel. Kobalt en nikkel zijn ook giftig en kunnen ecosystemen en waterbronnen besmetten als ze uit stortplaatsen uitlogen. Bovendien worden elektrolyten in lithium-ionbatterijen vaak opgelost in ontvlambare organische oplosmiddelen die vaak uiteenvallen bij hoge bedrijfsspanningen. Andere veiligheidsproblemen zijn dendrieten, die lijken op kleine bomen die in een batterij groeien. Ze kunnen de scheider doorboren als distels die door scheuren op een oprit groeien, wat leidt tot ongewenste en soms onveilige chemische reacties.
[Zinkmetaalbatterijen zijn een van de toonaangevende kandidaat-technologieën voor grootschalige energieopslag, "zei Ji. [Onze nieuwe hybride elektrolyt maakt gebruik van water en een gewoon batterij-oplosmiddel, dat niet-vlammend, kosteneffectief is en van een lage milieu-impact. De elektrolyt is gemaakt van een opgeloste mengsel van goedkope chlorid zouten, waarbij de primaire zinkchloride is. "
De kosten van elektriciteit die wordt geleverd door een opslagfaciliteit bestaande uit zinkbatterijen kunnen alleen concurrerend zijn met door fossiele brandstoffen geproduceerde elektriciteit als de batterij een lange levensduur van duizenden cycli heeft, zei Ji. Tot op heden is het levensleven echter beperkt door de slechte omkeerbaarheidsprestaties van de zinkanode. Tijdens het opladen, legt Ji uit, zinkkationen in de elektrolyt winst elektronen en worden op het anode -oppervlak geplateerd. Tijdens ontlading geeft de vergulde anode elektronen op voor de werklast door in de elektrolyt te worden opgelost.
[Dit zinkplating- en oplossingsproces is vaak jammerlijk onomkeerbaar, "zei Ji. [Namelijk, sommige elektronen die in het plateren worden gebruikt, kunnen niet worden terugverdiend tijdens ontlading. Dit is een probleem in een gebied dat bekend staat als Coulombische efficiëntie."
Coulombische efficiëntie, of CE, is een maat voor hoe goed elektronen in batterijen worden overgebracht, de verhouding van de totale lading geëxtraheerd van de batterij tot de lading die in de over een volledige cyclus wordt geplaatst. Lithium-ionbatterijen kunnen een CE hebben van meer dan 99%.
De nieuwe elektrolyt ontwikkeld door JI en medewerkers, waaronder wetenschappers van het Massachusetts Institute of Technology, Penn State en de Universiteit van Californië, Riverside, maakte een CE mogelijk van 99,95%.
[De primaire uitdaging met zinkbatterijen is dat zink reageert met water in de elektrolyt om waterstofgas te genereren in wat een waterstofevolutiereactie wordt genoemd, "zei Ji. [Deze parasitaire reactie veroorzaakt een korte levensduur en is ook een potentieel veiligheidsrisico. "
De nieuwe elektrolyt beperkt echter de reactiviteit van het water en sluit de waterstofevolutiereactie bijna af door een [passiveringslaag te vormen "op het oppervlak van de anode. Een vergelijkbare passiveringslaag is wat de initiële commercialisering van lithium-ionbatterijen mogelijk maakt Jaren 1990. JI crediteert OSU -chemie -collega Chong Fang voor het blootleggen van de atomaire structuur van de elektrolyt door femtoseconde Raman -spectroscopie en Alex Greaney bij UC Riverside te gebruiken voor het bepalen van het passiveringsmechanisme.
[Het is ook vermeldenswaard dat de efficiëntie die we hebben gemeten, onder ruwe omstandigheden staat die geen schade maskeert die wordt veroorzaakt door de waterstofevolutiereactie, "voegde Ji eraan toe. [De hier gerapporteerde doorbraak luidt de nabije toekomstcommercialisering van de zinkmetaalbatterijen aan voor Grootschalige rasteropslag. "
OSU`s Kyriakos Stylianou nam ook deel aan dit onderzoek, dat werd ondersteund door de National Science Foundation en het Amerikaanse ministerie van Energie.
