Исследовательская группа улучшает напряжение водных аккумуляторов

Кредит: Квинслендский технологический университет

Исследование, опубликованное в Журнале Американского химического общества, продемонстрировало способ улучшения напряжения водных цинковых ионных аккумуляторов, которые являются типом аккумуляторной батареи, которые имеют электролит на водной основе.

Исследователями QUT участвуют в исследовании, профессор Зики Сан, доцент профессора Донген Ци и фанат Чжан из Школы химии и физики, профессор Тинг Ляо и профессор Ченг Ян из Школы механики, медицинской инженерии и доктора Аарона Микальфа изЦентральное аналитическое исследовательское учреждение.

Профессор Сан сказал, что водные батареи использовались более ста лет, в основном в качестве нерезарных батарей.

«Улучшение низкого напряжения перезаряжаемых водных батарей является одним из самых больших препятствий, с которыми сталкивается их широко распространенная реализация для многих применений»,-сказал профессор Сан.

«В общих перезаряжаемых батареях органические электролиты используются для заполнения пространства между анодом и катодом, которые являются дорогими, и, что наиболее важно, очень легковоспламеняющиеся.

«Использование водных электролитов может решить проблему безопасности литий-ионных батарей, поскольку водный электролит намного дешевле и безопаснее.

«Но использование водного электролита в аккумуляторных батареях очень сложно.

«Из -за низкого восстановительного напряжения воды (1,23 В) водные батареи обычно имеют окно низкого напряжения и, следовательно, низкую плотность энергии, что означает более низкие характеристики батареи по сравнению с нормальными органическими аккумуляторами».

Фан Чжан, первый автор в исследовательской статье, сказал, что возникла еще одна проблема в увеличении этого окна напряжения 1,23 В с водным электролитом.

«Если приложенное напряжение выше 1,23 В, водород будет генерировать и привести к отеку батареи и возможного взрыва», - сказал Чжан.

Профессор Сан сказал, что исследователи нашли способ увеличить напряжение в аккумуляторной аккумуле с цинком, избегая потенциально опасного наращивания водорода.Метод был вдохновлен теорией Маркуса по переносу электронов среди молекул в растворе, который заработал Нобелевскую премию Рудольфа Маркуса.

«В нашей работе мы применили органическое соединение, называемое катехолом, в водный электролит сульфата цинка, который изменяет модель переноса электрона от нормальной внутренней передачи сферы в электролите на модель переноса внешней сферы.

«Проще говоря, это означает, что Catechol Compound передает электрон в ион цинка, что приводит к тому, что молекулы воды будут более стабильными, а потенциально опасная водородная реакция контролируется».

Профессор Сан сказал, что исследование было шагом к растущему использованию водных аккумуляторов на основе цинка, которые уже показали несколько ключевых преимуществ.

Ионы цинка имеют в два раза больше, чем литий -ионы, что означает вдвое больше энергии.Батареи также могут быть меньше, могут заряжаться гораздо быстрее и иметь срок службы зарядки в течение во многих раз больше.

«Механизм переноса электрона внешней сферы прокладывает нам новый способ разработки водных электролитов высоковольтных вод»,-сказал профессор Сан.

«Использование этих новых типов водного электролита улучшает окно напряжения на два раза выше и повышает общую производительность аккумулятора в 1,5 до трех раз лучше, чем обычные водные электролиты.

«Это большой скачок в водных аккумуляторах для промышленного производства».

Больше информации: Fan Zhang et al., Передача электронов Внешней сферы, обеспечивающая высоковольтные водные электролиты, журнал Американского химического общества (2024).Doi: 10.1021/jacs.4c01188