瑞典研发高效便宜可充电锌电池 弥补锂电池缺点

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【大纪元2024年06月15日讯】(大纪元专题部记者吴瑞昌编译报导)随着人们对于电力和电池的需求不断增加,一些发达国家持续开发新的锂电池或其它电池,但这些电池往往价格较高,使一些低收入国家的人难以负担,而瑞典一所大学最近开发出便宜且可进行数千次充放电的锌电池,可弥补锂电池的缺点。

锂电池制作过程中,不仅需要锂和钴等高单价的金属,还需大量的水和能源,且回收过程中也需要大量的水和能源作为支撑。于是科学家希望能够用高丰富度、低成本的钠(Na)、钾(K)、镁(Mg)、钙(Ca)和锌(Zn)等金属做出电池,去代替锂电池。

锌有含量丰富、成本低、毒性低、理论电容量高(820mAh/g)和回收率高等优点,再加上其氧化还原电位较低,使可充电锌电池(ZnB)可以在不易燃的水性电解质中工作,引起了人们的关注。

尽管锌金属电池凭借其成本效益和安全优势,有望成为下一代储能解决方案,但锌在水环境中容易因过析氢反应(HER)和锌枝晶生长影响电池的循环稳定性,阻碍了商业化的可能性。

锌枝晶生长会降低电池循环性能,缩短其使用寿命甚至刺穿隔膜,导致成为电池短路、爆炸等安全问题的罪魁祸首,因此需要进行限制。先前有科学家使用超浓缩的电解质(WiSE)去减少锌枝晶生长的问题,但使用的材料是氟化盐,这种盐不仅价格昂贵,而且对环境产生负面影响。

于是,开发出不含氟化盐或减少氟化盐的超浓缩电解质就至关重要。这次瑞典的林雪平大学(Linköping University)、卡尔斯塔德大学(Karlstad University)和查尔姆斯理工大学(Chalmers)的研究人员一起开发了一种基于锌、木质素(多数存于树皮和木材中)的特殊超浓缩电解质,制成稳定、可多次充电的锌电池。

他们将一种高吸水性聚合物聚丙烯酸钾(PAAK)加入WiSE后,使其成为含有聚合物的超浓缩电解质(WiPSE)。这种WiPSE是WiSE的新型变体,可以减轻水氧化还原过程相关的副反应(锌枝晶生长和其他问题),从而提高可充电锌电池的循环稳定性。

另外,他们把木质素与导电的碳结合形成有机电极(阴极),与锌(阳极)和WiPSE电解质组装一起后,测量其电容和电压。结果显示,75 mAh/g的电池容量、1.3 V电池电位。测试充放电效果显示,电池经过高电流(1A/g)进行8000次充放电循环后,依然能保持80%的初始容量。

这种新开发的锌电池,类似于2032型钮扣电池。它供电稳定,在进行超过8000次循环充放电后,依然保持不错的性能,给一些低收入国家提供了廉价且可持续的电池解决方案。这项研究成果在5月被发表于《能源与环境材料》杂志。

研究人员表示,这次选用锌与木质素这两种材料,不仅方便取得,且具低成本和可回收性高的特性。此外,这种电池的能量密度与一些低收入国家常用的铅酸电池相当,还不含有毒的铅金属。

他们还表示,虽然目前实验室开发的电池尺寸较小,但他们相信,未来可以造出与汽车电池大小大致相当的大型电池,不过这需要公司进行大规生产才可行。

林雪平大学有机电子学克里斯(Reverant Crispin)教授对该校的新闻室表示,“虽然太阳能板已经变得相对便宜,不少低收入国家的人也采用了它,但在赤道附近国家的太阳很早就下山了,导致他们家庭和企业出现停电问题。现在我们希望这种电池技术可以提供解决方案,尽管其性能低于昂贵的锂电池。”

有机电子实验室研究员齐亚丁汗(Ziyauddin Khan)表示,“锌和木质素都非常便宜,而且电池很容易回收。如果计算每个使用周期的成本,与锂离子电池相比,它会是一种极其便宜的电池。”

他解释,“虽然锂电池有很多好处,但它有爆炸的风险,且回收时具有挑战性。当工厂提取钴等特定元素时,就会产生环境污染和人权等问题。因此,我们的可充电池有望成为有前途的替代品。”◇

责任编辑:连书华

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