研究恢复活力的锌电池

研究恢复活力的锌电池

陆军科学家,由马里兰大学和国家标准和技术研究所组成的研究小组,创造了一个水基锌电池,同时强大,可充电和本质安全。

图像说明:艺术家在超浓电解质中完全被阴离子包围的锌离子的概念是试图以可控和平滑的方式打破锌金属表面上的结合和沉积。(图片由Eric Proctor)

在先前的成就中,这些科学家发明了一种新型的水基电解质,它可以在极端的电化学条件下工作,而自来水不能,并且已经成功地应用于不同的锂离子化学。

在这项工作中,他们将电解液改为比锂电池便宜得多但比锌更具问题的电池化学。结果表明,水锌电池能同时满足高能量、高安全性和低成本的多方面目标。

世界上最早的电池在1799使用锌作为阳极。在接下来的两个世纪中,许多锌基电池被商业化,其中一些仍在市场上。这些电池用来提供安全可靠的能源,虽然在中等能量密度下满足我们的日常需要,但是自从28年前锂离子电池出现以来,它们在我们生活中的存在已经大大缩小了。除了能量密度之外,锌电池的作用减弱的主要原因是锌化学在水电解质中的不可逆性。不可再充电电池已经产生了大量的垃圾填埋场,给工业化社会带来了严重的环境负担。

“另一方面,随着我们生活中的锂离子电池的存在,从便携式电子设备到电动汽车,其安全性引起了更多的关注,从特斯拉汽车火灾的全波音787机队全球接地,”Kang Xu博士解释说,他是一个美国研究员、组长、以及本文的有限相应的作者。”锂离子电池的安全危害源于其中使用的高度易燃和有毒的非水电解质。如果能以高能量密度充电,那么水性电池就变得有吸引力。锌是一种天然的候选者。

研究人员说,新的水锌电池最终不仅可以用于消费电子产品,而且可以在极端条件下提高安全关键性车辆的性能,例如在航空航天、军事和深海环境中使用的安全性能。

作为水性锌电池的功率和安全性,王飞的一个例子,一个共同任命博士后在UMD克拉克学院和ARL,和论文的第一作者,引用了大量的电池起火事件在手机、笔记本电脑和电动汽车在最近的媒体报道突出。在这项工作中提出的新的水锌电池可能是对安全电池化学的呼唤的答案,同时仍然保持传统锂离子电池的可比或甚至更高的能量密度。

“基于水的电池对于防止电子设备的火灾至关重要,但它们的能量储存和容量直到现在才受到限制。王说:“这是第一次,我们有一个电池可以与锂离子电池在能量密度上竞争,但没有爆炸或火灾的危险。”

这种高度集中的水锌电池也克服了传统锌电池的其他缺点,比如只有有限的充电周期的承受能力,枝晶(树状结构晶体)的使用和充电过程中持续生长,水的消耗,导致需要定期补充电池的电解质和水。 

“现有的锌电池是安全的和相对便宜的生产,但它们并不完美,因为循环寿命和低能量密度低。我们克服这些挑战的盐电解质使用的水,”春胜望说,UMD的化学和生物分子工程和该论文的通讯作者教授。 

研究小组称这种电池技术的进步为进一步的研究奠定了基础,他们对未来可能的商业化充满希望。

“在这项工作中取得的重大发现已经触及水锌电池的核心问题,并可能影响其他水性或非水性多价阳离子的化学作用,面临类似的挑战,如镁和铝电池”,徐说。”当然,一个更为困难的挑战是锂金属的可逆性,它面临着相似但更为困难的挑战。

锂金属沉积的解决办法可以解开所有电池的“圣杯”,这是这些科学家与能源部科学家密切合作的领域。

这项研究得到了能源高级研究计划署能源和马里兰大学极端电池研究中心的资金支持。

作者承认来自马里兰大学纳米重心资助更多的支持。

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