Bezdrôtové bipolárne elektrody zvyšujú energetickú hustotu zinkovo-vzduchových batérií o 80 %

Vedci vynalezli spôsob, ako zvýšiť výkon batérií až o 80 percent bez zmeny ich základnej chémie.

Barcelona Institute of Materials Science (ICMAB-CSIC) v spolupráci s ICN2 a Národnou univerzitou La Plata vyvinuli novú architektúru pre zinkovo-vzduchové batérie, ktorá zvyšuje výkon bez zmeny základnej chémie.

Desiatky rokov návrhu batérií sa zredukovali na jedno nezvratné pravidlo: udržiavať elektrolyt elektricky nevodivý. Voľne plávajúce elektróny v kvapaline znamenajú skrat v článku. Konec hry.

Tím vedený Nieves Casañ-Pastor a Marc Mosqueda preukázal, že pridanie neprepojených, vodivých kovových prvkov do elektrolytu môže bezpečne zlepšiť výkon. Osobitne sa zistilo, že zavedenie elektricky vodivých častí do kvapalného stredu batérie bez membrány vytvára bezdrôtové bipolárne elektrody.

Táto dizajnová stratégia otvára nové cesty na zvýšenie výkonu a nabíjacích schopností iných technológií batérií nad rámec zinkovo-vzduchových systémov.

Prekonanie nevodivých bariér

Batérie ukladajú energiu pomocou dvoch odlišných materiálov elektród oddelených elektrolytom, kvapalinou, ktorá výlučne prenáša ióny, nie elektróny.

Keď sa batéria zapne, jej vnútorné elektrické pole okamžite polarizuje kovové ostrovy, nabíjajúc jednu stranu pozitívne a opačnú stranu negatívne. Táto bezdrôtová reakcia vytvára nové cesty v elektrolyte, ktoré urýchľujú pohyb náboja a znižujú vnútorný odpor. Výsledkom je dramaticky rýchlejší a efektívnejší tok elektrickej energie bez akéhokoľvek fyzického zapojenia.

„Normálne, ak by materiál mohol prenášať elektróny v elektrolyte, došlo by k skratovému spojeniu a batéria by prestala fungovať,“ povedal Casañ-Pastor. „Prekvapujúce je, že tieto vodiče nie sú pripojené k ničomu: sú jednoducho umiestnené v systéme a aj tak produkujú prospešné účinky a obrovské zmeny v kapacite výkonu alebo nabíjania.“

Zinkovo-vzduchové systémy sú lacné, neexplozívne a spoliehajú sa na materiály, ktoré sú hojne dostupné na Zemi. Bezpečnosť je ich silnou stránkou, ale rýchlosť nikdy nebola ich prednosťou. Zinkovo-vzduchové batérie boli vždy obmedzené pomalými reakciami kyslíka, ktoré obmedzovali ich výkon.

Výskumný tím znížil vnútorný elektrický odpor na zlomok jeho normálnej úrovne zavedením týchto bezdrôtových bipolárnych elektrod. V dôsledku toho energia prechádzala systémom oveľa rýchlejšie. Celá batéria fungovala s dramaticky zlepšenou efektívnosťou a rýchlosťou.

V štúdii boli testované platinové (Pt) a zinkové (Zn) malé kovové časti umiestnené priamo v kvapalnom elektrolyte batérie, aby fungovali ako bezdrôtové bipolárne elektrody.

Zníženie vnútorného odporu

Indukované dipólové momenty znížili ohmický vnútorný odpor až o 64 percent a ďalej znížili odpor pri prenose náboja, čo uľahčilo tok energie vo vnútri článku.

Zmenou materiálu a geometrickej konfigurácie sa dosiahli významné zlepšenia výkonu v kľúčových parametroch batérií.