Nové zinkové kovové baterie mohou být levné, účinné, odolné, bezpečné a šetrné k životnímu prostředí

Nové zinkové kovové baterie mohou být levné, účinné, odolné, bezpečné a šetrné k životnímu prostředí

Svět potřebuje levné a výkonné baterie, které dokážou uchovat udržitelně vyrobenou elektřinu z větru nebo slunečního záření, abychom ji mohli používat, kdykoli ji potřebujeme, i když je venku tma nebo nefouká vítr. Nejběžnější baterie, které napájejí naše chytré telefony a elektromobily, jsou lithium-iontové baterie. Ty jsou poměrně drahé, protože celosvětová poptávka po lithiu prudce stoupá a tyto baterie jsou také vysoce hořlavé.

Zinkové baterie na vodní bázi nabízejí slibnou alternativu k těmto lithium-iontovým bateriím. Mezinárodní tým výzkumníků pod vedením ETH Zurich nyní navrhl strategii, která přináší klíčové pokroky ve vývoji takových zinkových baterií, díky nimž jsou výkonnější, bezpečnější a šetrnější k životnímu prostředí.

Trvanlivost je výzva

Zinkové baterie mají řadu výhod: zinek je hojný, levný a má vyspělou recyklační infrastrukturu. Kromě toho mohou zinkové baterie uchovat velké množství elektřiny. A co je nejdůležitější, zinkové baterie nevyžadují nezbytně použití vysoce hořlavých organických rozpouštědel jako elektrolytické tekutiny, protože mohou být vyrobeny také pomocí elektrolytů na vodní bázi.

Kdyby jen neexistovaly výzvy, kterým musí inženýři při vývoji těchto baterií čelit: když se zinkové baterie nabíjejí vysokým napětím, voda v elektrolytické tekutině reaguje na jedné z elektrod za vzniku plynného vodíku. Když k tomu dojde, elektrolytová tekutina ubývá a výkon baterie se snižuje. Kromě toho tato reakce způsobuje nahromadění nadměrného tlaku v baterii, který může být nebezpečný. Dalším problémem je tvorba špičatých usazenin zinku během nabíjení baterie, známých jako dendrity, které mohou prorazit baterii a v nejhorším případě dokonce způsobit zkrat a baterii učinit nepoužitelnou.

Soli činí baterie toxické

V posledních letech inženýři sledovali strategii obohacování vodného kapalného elektrolytu solemi, aby byl obsah vody co nejnižší. Má to však i nevýhody: Způsobuje viskózní kapalinu elektrolytu, což značně zpomaluje procesy nabíjení a vybíjení. Mnohé z používaných solí navíc obsahují fluor, díky čemuž jsou toxické a škodlivé pro životní prostředí.

Maria Lukatskaya, profesorka elektrochemických energetických systémů na ETH Zurich, nyní spojila své síly s kolegy z několika výzkumných institucí ve Spojených státech a Švýcarsku, aby systematicky hledala ideální koncentraci soli pro zinko-iontové baterie na vodní bázi. Pomocí experimentů podporovaných počítačovými simulacemi byli vědci schopni odhalit, že ideální koncentrace soli není, jak se dříve předpokládalo, nejvyšší možná, ale relativně nízká: pět až deset molekul vody na kladný iont soli. Zjištění jsou publikována v časopise Energy & Environmental Science.

Dlouhotrvající výkon a rychlé nabíjení

A co víc, vědci pro svá vylepšení nepoužili žádné soli škodlivé pro životní prostředí, místo toho se rozhodli pro soli kyseliny octové, které jsou šetrné k životnímu prostředí, nazývané acetáty. "S ideální koncentrací acetátů jsme byli schopni minimalizovat vyčerpání elektrolytů a zabránit vzniku dendritů zinku stejně dobře, jako to dříve dělali jiní vědci s vysokými koncentracemi toxických solí," říká Dario Gomez Vazquez, doktorand v Lukatské skupině a hlavní autor knihy. studie. "Navíc s naším přístupem lze baterie nabíjet a vybíjet mnohem rychleji."

Výzkumníci ETH zatím testovali svou novou strategii baterií v relativně malém laboratorním měřítku. Dalším krokem bude rozšířit přístup a zjistit, zda jej lze převést také na velké baterie. V ideálním případě by se mohly jednoho dne použít jako skladovací jednotky v rozvodné síti pro kompenzaci výkyvů, řekněme, nebo ve sklepních prostorech rodinných domů, aby bylo možné večer využít solární energii vyrobenou během dne.

Stále existují určité problémy, které je třeba překonat, než budou zinkové baterie připraveny na trh, jak vysvětluje profesorka ETH Lukatskaya: baterie se skládají ze dvou elektrod – anody a katody – a elektrolytu mezi nimi. "Ukázali jsme, že vyladěním složení elektrolytu lze umožnit účinné nabíjení zinkových anod," říká. "Do budoucna však budou muset být optimalizovány také výkonné katodové materiály, aby byly realizovány odolné a účinné zinkové baterie."