Tanie i wydajne baterie cynkowo-powietrzne. Czy to innowacja, która skróci dystans do litu?

Badacze z hiszpańskiego Instytutu Nauki o Materiałach w Barcelonie, Katalońskiego Instytutu Nanonauki i Nanotechnologii oraz argentyńskiego Narodowego Uniwersytetu w La Plata opracowali nową architekturę baterii cynkowo-powietrznych. Innowacyjna konstrukcja pozwala zwiększyć moc wyjściową urządzenia aż o 80% poprzez znaczną redukcję oporu wewnętrznego – wszystko to bez konieczności wprowadzania zmian w podstawowej chemii ogniwa. Wyniki badań opublikowano w czasopiśmie Energy Storage Materials pod tytułem „Unlocking high power in membraneless Zn-air batteries: A paradigm shift via wireless bipolar electrochemistry”.

Zmiana paradygmatu w elektrochemii

Dotychczasowe podejście w projektowaniu baterii opierało się na bezwzględnym unikaniu materiałów przewodzących wewnątrz elektrolitu. Miało to zapobiegać ryzyku zwarcia. Nowa architektura odrzuca tę zasadę i wprowadza do wnętrza elektrolitu niewielkie elementy przewodzące.

Oto jak działa to rozwiązanie w praktyce:

• Brak połączeń fizycznych – przewodzące elementy nie są połączone przewodami ani z głównymi elektrodami, ani z zewnętrznym obwodem elektrycznym.
• Indukowana polaryzacja – podczas pracy baterii pomiędzy głównymi elektrodami powstaje pole elektryczne. Pole to polaryzuje odizolowane elementy przewodzące – jeden ich koniec zyskuje ładunek dodatni, a drugi ujemny.
• Bezprzewodowe elektrody dwubiegunowe – elementy te zaczynają działać jako bezprzewodowe elektrody dwubiegunowe. Tworzą one dodatkowe ścieżki dla transportu ładunku i modyfikują jego rozkład wewnątrz urządzenia.

W efekcie ułatwiony transport ładunku przez elektrolit eliminuje straty wynikające z oporu wewnętrznego, zamiast wywoływać zwarcie.

Przełamanie ograniczeń chemii cynkowo-powietrznej

Baterie cynkowo-powietrzne od dawna uchodzą za obiecującą alternatywę technologiczną, jednak ich głównym wąskim gardłem była dotąd powolna reakcja elektrochemiczna z udziałem tlenu na katodzie. To wpływało negatywnie na moc, jaką ogniwo mogło dostarczyć. Podczas gdy reakcja utleniania cynku przebiega sprawnie w środowisku wodnym, to właśnie dynamika powolnej reakcji tlenowej determinowała limity wydajności.

Dodanie fizycznego mechanizmu bezprzewodowej elektrochemii dwubiegunowej pozwala obejść to ograniczenie bez potrzeby poszukiwania nowych, droższych reagentów chemicznych czy skomplikowanych katalizatorów.

Potencjał dla innych technologii magazynowania energii

Autorzy badania wskazują, że nowa koncepcja modyfikacji architektury wewnętrznej może znaleźć zastosowanie również w innych systemach elektrochemicznych i technologiach magazynowania energii. Wprowadzenie bezprzewodowych elektrod dwubiegunowych otwiera drogę do podnoszenia gęstości mocy w różnych typach ogniw poprzez samą zmianę fizycznej struktury ich wnętrza.