الکترولیت هیدروژل باعث افزایش چگالی انرژی ۲۲۰ وات ساعت بر کیلوگرم و بیش از ۶۰۰۰ چرخه در باتری‌های آبی شد

پژوهشگران یک الکترولیت هیدروژل جدید توسعه داده‌اند که با یک کاتد آبی پروسوسی، باتری‌های هیبریدی یون سدیم-زینک را بهبود می‌بخشد.

این طراحی که توسط گروهی در دانشگاه نفت چین (چین شرقی) توسعه یافته است، چگالی انرژی بی‌نظیر و پایداری چرخه‌ای طولانی‌تری ارائه می‌دهد.

این باتری هیبریدی دارای چگالی انرژی ۲۲۰ وات ساعت بر کیلوگرم است، در نرخ‌های جریانی تا ۵ C به خوبی عمل می‌کند و بیش از ۶۰۰۰ چرخه بدون افت کارکرد دوام می‌آورد.

به گفته دانشمندان، این پیشرفت یک جهش عظیم در فناوری باتری‌های آبی به حساب می‌آید و راه‌حلی عملی برای ذخیره‌سازی انرژی با عملکرد و طول عمر بهبود‌ یافته ارائه می‌دهد.

نوآوری پیشرفته الکترولیت

از آنجا که باتری‌های لیتیومی صنعت استاندارد برای خودروهای الکتریکی و الکترونیک شخصی هستند، باتری‌های ثانویه برای سیستم‌های انرژی تجدیدپذیر ضروری‌اند. با این حال، منابع لیتیوم محدود و الکترولیت‌های آلی قابل اشتعال، خطرات امنیتی به وجود می‌آورند، بنابراین باتری‌های آبی به عنوان جایگزین محبوب می‌شوند.

باتری‌های Na-ion و Zn-ion آبی به خاطر ایمنی، سازگاری با محیط‌ زیست و مقرون به صرفه بودن به دلیل مواد فراوان و الکترولیت‌های آبی، برجسته هستند.

ظرفیت بالا، پتانسیل اکسید-احیا مناسب و پایداری آبی زینک، آن را به ماده آندی امیدوارکننده تبدیل می‌کند، اما مشکلاتی مانند رشد دندریتی عملکرد آن را محدود می‌کند. عملکرد با تاکتیک‌هایی مثل تغییر سطح و الکترولیت‌های با غلظت بالا بهبود می‌یابد، اما معایبی مانند رسانایی ضعیف نیز به وجود می‌آید.

با کاتدهای آبی پروسوسی و آنودهای Zn، باتری‌های هیبریدی یون Na-Zn (ASZIBs) می‌توانند ولتاژهای بالاتری (۲٫۰ V) به دست آورند؛ اما پنجره الکتروشیمیایی محدود آن‌ها، ظرفیت آن‌ها را محدود می‌کند.

بر اساس گفته پژوهشگران، الکترولیت‌های هیدروژل با محتوای آب آزاد کم، پایداری ولتاژ را بهبود می‌بخشند، دندریتها را پیشگیری می‌کنند و عمر چرخه را افزایش می‌دهند. توسعه الکترولیت‌های هیدروژل با رسانایی بالا و پنجره‌های ولتاژ گسترده برای پیشرفت ASZIBs ضروری است.

عملکرد قابل ملاحظه الکترولیت هیدروژل Zn–SA–PSN تازه ایجاد شده به شبکه پلیمر منحصر به فردش نسبت داده می‌شود، که شامل زنجیرهای آمید متصل و گروه‌های عملکردی دوستدار آب است.

این طراحی پیچیده پنجره پایداری الکتروشیمیایی وسیعی از ۲٫۵ V و رسانایی یونی استثنایی ۴۳ mS·cm⁻¹ ارائه می‌دهد که بسیار بهتر از الکترولیت‌های سنتی است. فعالیت‌های ولتاژ بالاتر توسط پنجره پایداری گسترده‌تر پشتیبانی می‌شود که برای افزایش چگالی انرژی باتری‌ها حیاتی است.

نوآوری در انرژی پایدار

باتری هیبریدی سدیم-زینک، عملکرد بی‌نظیری را هنگام ترکیب با یک کاتد آبی پروسوسی نشان می‌دهد و بیش از ۶۰۰۰ چرخه را در یک چگالی جریانی بالا ۲۵ C با افت ظرفیت اندک تنها ۰٫۰۰۹۶ درصد در هر چرخه به انجام می‌رساند.

طبق گفته پژوهشگران، پایداری با توانایی الکترولیت هیدروژل در پیشگیری از توسعه دندریتی و کاهش واکنش‌های نامطلوب، دو مسئله که اغلب با آنودهای زینک بروز می‌کند، توضیح داده می‌شود.

علاوه بر این، با ظرفیتی تا ۵ C، باتری عملکرد بالای نرخ و چگالی انرژی حدود ۲۲۰ Wh·kg⁻¹ را نشان می‌دهد. به دلیل سازگاری، الکترولیت Zn–SA–PSN می‌تواند با انواع مختلف مواد کاتد همراه شود و با باتری‌های یون زینک و هیبریدی سدیم زینک آبی سازگار است.

لینجی ژی، پژوهشگر اصلی پروژه گفت: “الکترولیت هیدروژل ما نشان دهنده پیشرفت قابل توجهی در زمینه باتری‌های آبی است. توانایی آن در حفظ عملکرد بالا در هزاران چرخه و در چگالی‌های جریانی بالا، نشانه‌ای از پتانسیل آن برای کاربردهای عملی در ذخیره‌سازی انرژی است.” در بیانیه‌ای .

علاوه بر این، الکترولیت هیدروژل Zn–SA–PSN الکترولیت سیستم‌های باتری برای ذخیره‌سازی شبکه، خودروهای الکتریکی و کاربردهای دیگر را با فراهم کردن چگالی انرژی بالا و پایداری طولانی‌مدت پیشرفت می‌دهد.

پژوهشگران تأکید می‌کنند که باتری‌های هیبریدی یون باتری‌ها توانایی پاسخگویی به نیاز فزاینده به راه‌حل‌های کارا و پایدار انرژی را دارند. طراحی‌هایی مثل این الکترولیت هیدروژل برای پیشرفت راه‌حل‌های پایدار انرژی برای آینده‌ای سبزتر ضروری هستند، چرا که تقاضا برای سیستم‌های قابل اطمینان و سازگار با محیط زیست افزایش می‌یابد.

جزئیات تحقیقات تیم در ژورنال مواد و دستگاه‌های انرژی. منتشر شده است.