瑞典研發出便宜可充電鋅電池 彌補鋰電池缺點

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【新唐人北京時間2024年06月16日訊】隨著人們對於電力和電池的需求不斷增加,一些發達國家持續開發新的鋰電池或其它電池,但這些電池往往價格較高,使一些低收入國家的人難以負擔,而瑞典一所大學最近開發出便宜且可進行數千次充放電的鋅電池,可彌補鋰電池的缺點。

鋰電池製作過程中,不僅需要鋰和鈷等高單價的金屬,還需大量的水和能源,且回收過程中也需要大量的水和能源作為支撐。於是科學家希望能夠用高豐富度、低成本的鈉(Na)、鉀(K)、鎂(Mg)、鈣(Ca)和鋅(Zn)等金屬做出電池,去代替鋰電池。

鋅有含量豐富、成本低、毒性低、理論電容量高(820mAh/g)和回收率高等優點,再加上其氧化還原電位較低,使可充電鋅電池(ZnB)可以在不易燃的水性電解質中工作,引起了人們的關注。

儘管鋅金屬電池憑藉其成本效益和安全優勢,有望成為下一代儲能解決方案,但鋅在水環境中容易因過析氫反應(HER)和鋅枝晶生長影響電池的循環穩定性,阻礙了商業化的可能性。

鋅枝晶生長會降低電池循環性能,縮短其使用壽命甚至刺穿隔膜,導致成為電池短路、爆炸等安全問題的罪魁禍首,因此需要進行限制。先前有科學家使用超濃縮的電解質(WiSE)去減少鋅枝晶生長的問題,但使用的材料是氟化鹽,這種鹽不僅價格昂貴,而且對環境產生負面影響。

於是,開發出不含氟化鹽或減少氟化鹽的超濃縮電解質就至關重要。這次瑞典的林雪平大學(Linköping University)、卡爾斯塔德大學(Karlstad University)和查爾姆斯理工大學(Chalmers)的研究人員一起開發了一種基於鋅、木質素(多數存於樹皮和木材中)的特殊超濃縮電解質,製成穩定、可多次充電的鋅電池。

他們將一種高吸水性聚合物聚丙烯酸鉀(PAAK)加入WiSE後,使其成為含有聚合物的超濃縮電解質(WiPSE)。這種WiPSE是WiSE的新型變體,可以減輕水氧化還原過程相關的副反應(鋅枝晶生長和其他問題),從而提高可充電鋅電池的循環穩定性。

另外,他們把木質素與導電的碳結合形成有機電極(陰極),與鋅(陽極)和WiPSE電解質組裝一起後,測量其電容和電壓。結果顯示,75 mAh/g的電池容量、1.3 V電池電位。測試充放電效果顯示,電池經過高電流(1A/g)進行8000次充放電循環後,依然能保持80%的初始容量。

這種新開發的鋅電池,類似於2032型鈕扣電池。它供電穩定,在進行超過8000次循環充放電後,依然保持不錯的性能,給一些低收入國家提供了廉價且可持續的電池解決方案。這項研究成果在5月被發表於《能源與環境材料》雜誌。

研究人員表示,這次選用鋅與木質素這兩種材料,不僅方便取得,且具低成本和可回收性高的特性。此外,這種電池的能量密度與一些低收入國家常用的鉛酸電池相當,還不含有毒的鉛金屬。

他們還表示,雖然目前實驗室開發的電池尺寸較小,但他們相信,未來可以造出與汽車電池大小大致相當的大型電池,不過這需要公司進行大規生產才可行。

林雪平大學有機電子學克里斯(Reverant Crispin)教授對該校的新聞室表示,「雖然太陽能板已經變得相對便宜,不少低收入國家的人也採用了它,但在赤道附近國家的太陽很早就下山了,導致他們家庭和企業出現停電問題。現在我們希望這種電池技術可以提供解決方案,儘管其性能低於昂貴的鋰電池。」

有機電子實驗室研究員齊亞丁汗(Ziyauddin Khan)表示,「鋅和木質素都非常便宜,而且電池很容易回收。如果計算每個使用週期的成本,與鋰離子電池相比,它會是一種極其便宜的電池。」

他解釋,「雖然鋰電池有很多好處,但它有爆炸的風險,且回收時具有挑戰性。當工廠提取鈷等特定元素時,就會產生環境汙染和人權等問題。因此,我們的可充電池有望成為有前途的替代品。」

(轉自大紀元/責任編輯:葉萍)

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