Команда, базирующаяся в Тихоокеанской Северо-западной Национальной лаборатории Министерства энергетики, определила этот драгоценный камень аккумулирования энергии после понимания новых работ батареи по-другому, чем они приняли. Журнал Nature Energy опубликовал работу сегодня, которая описывает батарею.«Идея перезаряжающейся батареи цинкового марганца не новая; исследователи изучали их как недорогую, безопасную альтернативу литий-ионным аккумуляторам с конца 1990-х», сказал Член Лаборатории PNNL Цзюнь Лю, соответствующий автор газеты. «Но эти батареи обычно прекращают работать всего после нескольких обвинений. Наше исследование предполагает, что эти неудачи, возможно, произошли, потому что мы не управляли химическим равновесием в перезаряжающихся системах аккумулирования энергии цинкового марганца».
Химически наклоненныйПосле лет сосредоточения на перезаряжающихся литий-ионных аккумуляторах исследователи привыкли думать о назад и вперед шаттл литиевых ионов. Магазин литий-ионных аккумуляторов и энергия выпуска посредством процесса назвали прибавление, которое включает литиевые ионы, входящие и выходящие из микроскопических мест, промежуточных атомы двух электродов батареи.Это понятие так укоренено в исследовании аккумулирования энергии, что, когда ученые PNNL, сотрудничающие с Вашингтонским университетом, начали рассматривать недорогую, безопасную альтернативу литий-ионным аккумуляторам – перезаряжающуюся батарею окиси цинкового марганца – они предположили, что цинк так же приблизится и из электродов той батареи.
После батареи тестов команда была удивлена понять, что их устройство подвергалось совершенно различному процессу. Вместо того, чтобы просто переместить цинковые ионы вокруг, их батарея окиси цинкового марганца подвергалась обратимой химической реакции, которая преобразовала ее активные материалы в совершенно новые.
Привлекательная альтернативаЛю и его коллеги начали исследовать перезаряжающиеся батареи цинкового марганца, потому что они привлекательны на бумаге.
Они могут быть столь же недорогими как свинцово-кислотные батареи, потому что они используют богатые, недорогие материалы (цинк и марганец). И плотность энергии батареи может превысить свинцово-кислотные батареи. Ученые PNNL надеялись, что они могли произвести лучше выступающую батарею, роя глубже во внутренние работы батареи окиси цинкового марганца.
Таким образом, они построили свою собственную батарею с отрицательным цинковым электродом, положительным марганцевым электродом диоксида и основанным на воде электролитом, промежуточным два. Они проводят маленькие, испытательные батареи размера кнопки через wringer, неоднократно заряжая и освобождая от обязательств их. Поскольку другие нашли перед ними, их испытательная батарея быстро потеряла свою способность сохранить энергию всего после нескольких зарядных циклов. Но почему?
Подробное расследованиеЧтобы узнать, они сначала выполнили подробный химический и структурный анализ материалов электрода и электролита.
Они были удивлены не найти доказательства цинка, взаимодействующего с марганцевой окисью во время обвинения батареи и процессов выброса, как они первоначально ожидали, произойдет. Неожиданное открытие принудило их задаваться вопросом, не подвергалась ли батарея простому процессу прибавления, как они ранее думали. Возможно, батарея цинкового марганца меньше похожа на литий-ионный аккумулятор и больше как традиционная свинцово-кислотная батарея, которая также полагается на химические конверсионные реакции.Чтобы вырыть глубже, они исследовали электроды с несколькими продвинутыми инструментами со множеством научных методов, включая Микроскопию Электрона Передачи, Ядерный Магнитный резонанс и Дифракцию рентгена.
Используемые инструменты были расположены и в PNNL и в Environmental Molecular Sciences Laboratory (EMSL), Офисе САМКИ Научного пользовательского средства, расположенного в PNNL. Объединение этих методов показало, что марганцевая окись обратимо реагировала с протонами от основанного на воде электролита, который создал новый материал, цинковый сульфат гидроксила.Как правило, батареи окиси цинкового марганца значительно теряют вместимость всего после нескольких циклов. Это происходит, потому что марганец от положительного электрода батареи начинается к sluff прочь, делая активный материал батареи недоступным для аккумулирования энергии.
Но после того, как немного марганца растворяется в электролите, батарея постепенно стабилизируется, и вместимость выравнивается, хотя на намного более низком уровне.Простая фиксацияКоманда использовала новое знание, чтобы предотвратить этот марганец sluff-прочь. Знание батареи подверглось химическим преобразованиям, они решили, что темп марганцевого роспуска мог быть замедлен, увеличив начальную марганцевую концентрацию электролита.
Таким образом, они добавили марганцевые ионы к электролиту в новой испытательной батарее и провели пересмотренную батарею через другой раунд тестов. На этот раз испытательная батарея смогла достигнуть вместимости of285 миллиампер-часы за грамм марганцевой окиси более чем 5 000 циклов, в то время как сдерживающие 92 процента ее начальной вместимости.«Это исследование показывает, что равновесием нужно управлять во время химической конверсионной реакции улучшить работу батареи окиси цинкового марганца», сказал Лю. «В результате батареи окиси цинкового марганца могли быть более эффективным решением для крупномасштабного аккумулирования энергии, чем литий-ионные и свинцово-кислотные батареи раньше поддерживали сетку сегодня».Команда продолжит их исследования фундаментальных действий батареи окиси цинкового марганца.
Теперь, когда они изучили продукты химических конверсионных реакций батареи, они будут идти дальше, чтобы определить, что различный промежуток ступает, чтобы создать те продукты. Они также переделают электролит батареи, чтобы видеть, как дополнительные изменения затрагивают его действие.
Это исследование было поддержано Офисом САМКИ Науки и используемых ресурсов в Environmental Molecular Sciences Laboratory (EMSL), Офисом САМКИ Научного пользовательского средства, расположенного в PNNL.