เทคโนโลยี

แบตเตอรี่สังกะสีที่ใช้น้ำเป็นทางเลือกที่น่าสนใจสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนเหล่านี้ ขณะนี้ทีมนักวิจัยนานาชาติที่นำโดย ETH Zurich ได้คิดค้นกลยุทธ์ที่นำความก้าวหน้าที่สำคัญมาสู่การพัฒนาแบตเตอรี่สังกะสีดังกล่าว ทำให้มีประสิทธิภาพมากขึ้น ปลอดภัยขึ้น และเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมมากขึ้น ความทนทานเป็นสิ่งที่ท้าทาย แบตเตอรี่สังกะสีมีข้อดีหลายประการ: สังกะสีมีอยู่มากมาย ราคาถูก และมีโครงสร้างพื้นฐานในการรีไซเคิลที่สมบูรณ์ นอกจากนี้ แบตเตอรี่สังกะสียังสามารถเก็บไฟฟ้าได้มากอีกด้วย สิ่งที่สำคัญที่สุด แบตเตอรี่สังกะสีไม่จำเป็นต้องใช้ตัวทำละลายอินทรีย์ไวไฟสูงเป็นของเหลวอิเล็กโทรไลต์ เนื่องจากสามารถใช้อิเล็กโทรไลต์ที่เป็นน้ำแทนได้ หากไม่มีความท้าทายที่วิศวกรต้องเผชิญเมื่อพัฒนาแบตเตอรี่เหล่านี้: เมื่อชาร์จแบตเตอรี่สังกะสีด้วยไฟฟ้าแรงสูง น้ำในของเหลวอิเล็กโทรไลต์จะทำปฏิกิริยากับอิเล็กโทรดหนึ่งเพื่อสร้างก๊าซไฮโดรเจน เมื่อสิ่งนี้เกิดขึ้น ของเหลวอิเล็กโทรไลต์จะลดลงและประสิทธิภาพของแบตเตอรี่จะลดลง นอกจากนี้ ปฏิกิริยานี้ทำให้เกิดแรงดันส่วนเกินสะสมในแบตเตอรี่ซึ่งอาจเป็นอันตรายได้ ปัญหาอีกประการหนึ่งคือการสะสมตัวของสังกะสีที่แหลมคมระหว่างการชาร์จแบตเตอรี่ ซึ่งเรียกว่าเดนไดรต์ ซึ่งสามารถทะลุผ่านแบตเตอรี่ได้ และในกรณีที่เลวร้ายที่สุดอาจทำให้ไฟฟ้าลัดวงจรและทำให้แบตเตอรี่ใช้งานไม่ได้ เกลือทำให้แบตเตอรี่เป็นพิษ ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา วิศวกรได้ดำเนินการตามกลยุทธ์ในการทำให้อิเล็กโทรไลต์เหลวที่เป็นน้ำมีความเข้มข้นมากขึ้นด้วยเกลือ เพื่อรักษาปริมาณน้ำให้ต่ำที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ เทคโนโลยี แต่ก็มีข้อเสียเช่นกัน: มันทำให้ของเหลวอิเล็กโทรไลต์มีความหนืด ซึ่งทำให้กระบวนการชาร์จและคายประจุช้าลงอย่างมาก นอกจากนี้ เกลือหลายชนิดที่ใช้มีฟลูออรีน ทำให้เป็นพิษและเป็นอันตรายต่อสิ่งแวดล้อม Maria Lukatskaya ศาสตราจารย์ด้านระบบพลังงานเคมีไฟฟ้าของ ETH Zurich ได้ร่วมมือกับเพื่อนร่วมงานจากสถาบันวิจัยหลายแห่งในสหรัฐอเมริกาและสวิตเซอร์แลนด์เพื่อค้นหาความเข้มข้นของเกลือในอุดมคติสำหรับแบตเตอรี่สังกะสีไอออนแบบน้ำอย่างเป็นระบบ การใช้การทดลองที่สนับสนุนโดยการจำลองด้วยคอมพิวเตอร์ นักวิจัยสามารถเปิดเผยได้ว่าความเข้มข้นของเกลือในอุดมคติไม่ใช่ความเข้มข้นสูงสุดเท่าที่จะเป็นไปได้ แต่เป็นระดับที่ค่อนข้างต่ำ: โมเลกุลของน้ำ 5-10 โมเลกุลต่อไอออนบวกของเกลือ ประสิทธิภาพที่ยาวนานและการชาร์จที่รวดเร็ว ยิ่งไปกว่านั้น นักวิจัยไม่ได้ใช้เกลือที่เป็นอันตรายต่อสิ่งแวดล้อมในการปรับปรุง โดยเลือกใช้เกลือของกรดอะซิติกที่เรียกว่า อะซีเตต แทน Dario Gomez Vazquez นักศึกษาระดับปริญญาเอกในกลุ่มของ Lukatskaya และผู้เขียนนำกล่าวว่า "ด้วยความเข้มข้นที่เหมาะสมของอะซิเตต เราสามารถลดการสูญเสียอิเล็กโทรไลต์และป้องกัน dendrites ของสังกะสีได้ เช่นเดียวกับที่นักวิทยาศาสตร์คนอื่นๆ เคยทำกับเกลือพิษที่มีความเข้มข้นสูง" การเรียน. "ยิ่งไปกว่านั้น ด้วยแนวทางของเรา แบตเตอรี่สามารถชาร์จและคายประจุได้เร็วกว่ามาก" จนถึงตอนนี้ นักวิจัยของ ETH ได้ทดสอบกลยุทธ์แบตเตอรี่ใหม่ของพวกเขาในระดับห้องปฏิบัติการที่ค่อนข้างเล็ก ขั้นตอนต่อไปคือการขยายแนวทางและดูว่าสามารถแปลเป็นแบตเตอรี่ขนาดใหญ่ได้หรือไม่ ตามหลักการแล้ว สักวันหนึ่งสิ่งเหล่านี้อาจใช้เป็นหน่วยเก็บในโครงข่ายไฟฟ้าเพื่อชดเชยความผันผวน หรือในชั้นใต้ดินของบ้านเดี่ยวเพื่อให้ใช้พลังงานแสงอาทิตย์ที่ผลิตในตอนกลางวันเพื่อใช้ในตอนเย็น ยังมีความท้าทายบางอย่างที่ต้องเอาชนะก่อนที่แบตเตอรี่สังกะสีจะพร้อมสำหรับตลาด ตามที่ศาสตราจารย์ Lukatskaya ของ ETH อธิบายว่า แบตเตอรี่ประกอบด้วยขั้วไฟฟ้า 2 ขั้ว ได้แก่ ขั้วบวกและขั้วลบ และของเหลวอิเล็กโทรไลต์อยู่ระหว่างขั้วทั้งสอง "เราแสดงให้เห็นว่าการปรับองค์ประกอบอิเล็กโทรไลต์ให้มีประสิทธิภาพสามารถเปิดใช้งานการชาร์จสังกะสีแอโนดได้อย่างมีประสิทธิภาพ" เธอกล่าว "อย่างไรก็ตาม ในอนาคต วัสดุแคโทดที่มีประสิทธิภาพจะต้องได้รับการปรับให้เหมาะสมด้วยเช่นกัน เพื่อให้ได้แบตเตอรี่สังกะสีที่ทนทานและมีประสิทธิภาพ"