Søk blir tilgjengelig når de første sakene publiseres.
Et nytt kvasi-fast elektrolyttdesign kombinerer zeolitt med isolerte jernatomer for å styre både jodreaksjoner og sinkavsetning. Laboratorieceller beholdt kapasitet etter 6 800 sykluser, mens poseceller viste teknologien i større format.
Sink–jod-batterier er interessante fordi de kan bygges rundt vannbaserte elektrolytter og materialer som skiller seg fra dagens litiumionbatterier. Men vannet som gjør elektrolytten lett å lede ioner gjennom, kan også bidra til sidereaksjoner ved sinkelektroden. Samtidig kan oppløste polyjodider vandre mellom elektrodene og svekke batteriets stabilitet.
En mulig løsning er en kvasi-fast elektrolytt med mindre fritt vann. Det kan begrense flere av disse problemene, men skaper en ny avveining: når væskeinnholdet reduseres, går ladningsoverføringen ved grenseflatene ofte tregere.
I en fagfellevurdert studie i Nature Communications rapporterer forskere nå en elektrolytt der zeolitt er modifisert med isolerte metallatomer og fuktet med en vandig sinksulfatløsning. Målet er å få den kvasi-faste strukturen til å gjøre mer enn bare å holde på elektrolytten: selve materialet skal også hjelpe de elektrokjemiske reaksjonene.
Forskerne laget zeolitter med enkeltatomer av jern, kobolt, nikkel og kobber. Beregninger og eksperimenter viste at metallatomene påvirket både reaksjonshastigheten til jod og hvordan polyjodider ble bundet i materialet.
Jernvarianten ga den sterkeste samlede ytelsen. Ifølge studien virker de isolerte jernstedene både katalytisk på omdanningen av jod og som bindingssteder for polyjodider. Det kan redusere den såkalte shuttle-effekten, der løselige jodforbindelser beveger seg mellom elektrodene og bidrar til tap og uønskede reaksjoner.
Materialet påvirket også den andre siden av batteriet. Forskerne fant at den jerndopede zeolitten stabiliserte vannmolekyler, dempet sidereaksjoner og bidro til at sink ble avsatt jevnere på den negative elektroden.
Det er denne kombinasjonen som er hovedideen i arbeidet. I stedet for å optimalisere bare én reaksjon bruker elektrolytten atomært fordelte aktive steder til å håndtere flere av flaskehalsene i sink–jod-kjemien samtidig.
I laboratorieceller beholdt batteriene en utladningskapasitet på 81,2 mAh per gram jod etter 6 800 sykluser ved en høy strøm på 4 A per gram.
Tallet er bemerkelsesverdig, men må leses sammen med testbetingelsene. Dette er ikke en ferdig posecelle som har gjennomgått 6 800 realistiske brukssykluser. Langtidstesten ble utført på laboratorieceller og ved høy spesifikk strøm, og kapasiteten er oppgitt i forhold til massen av jod i den positive elektroden.
Forskerne bygget også poseceller som et proof of concept. Etter 200 sykluser ved 0,5 A per gram leverte disse 147,6 mAh per gram når kapasiteten ble regnet mot jodmassen. Regnet mot hele massen til den positive elektroden var kapasiteten 52 mAh per gram.
Forskjellen mellom disse tallene viser hvorfor massegrunnlaget er viktig når batteriresultater sammenlignes. En verdi beregnet bare fra det aktive jodet sier noe annet om et praktisk batteri enn en verdi som inkluderer hele elektroden.
Studien viser også at den jerndopede zeolitten kan brukes sammen med andre positive elektrodematerialer for oppladbare sinkbatterier. Det antyder at prinsippet kan være bredere enn akkurat den sink–jod-cellen som ble testet mest omfattende.
Likevel gjenstår avstanden mellom et lovende laboratoriemateriale og et kommersielt energilager. Forskerne demonstrerer poseceller, men studien etablerer ikke kostnad, produksjonsutbytte, energitetthet på komplett systemnivå eller levetid under et bredt spekter av realistiske temperaturer og ladeprofiler.
Resultatet er derfor først og fremst et fremskritt i hvordan elektrolytten kan utformes. Zeolitten fungerer ikke bare som en passiv, porøs vert. Ved å plassere metallatomer enkeltvis i strukturen får forskerne aktive steder som kan styre kjemien både rundt jod og ved sinkelektroden.
Hvis denne typen kontroll kan beholdes når cellene skaleres opp, kan den bidra til sinkbaserte batterier som kombinerer vannbasert kjemi med bedre stabilitet. Dagens studie viser at mekanismen fungerer i laboratoriet og kan overføres til en posecelleprototype. Veien til et praktisk lagringssystem må fortsatt demonstreres.