Oxidized Sodium Alginate Regulates Water Activity and Zn²⁺ Transport in Polyacrylamide Hydrogel Electrolytes for Stable Aqueous Zinc-Ion Batteries

Stel je de wereld van energieopslag voor als een bruisende stad waar elektriciteit de munteenheid is. Decennialang zijn de meest populaire banken in deze stad Lithium-ion batterijen geweest, de piepkleine krachtpatsers in je telefoon en elektrische auto. Ze zijn geweldig, maar ze hebben een paar eigenaardigheden: ze gebruiken brandbare vloeibare brandstoffen die in brand kunnen vliegen als het te heet wordt, en het "goud" dat ze nodig hebben (lithium) is moeilijk te vinden en duur. Wetenschappers zoeken naar een veiliger, goedkoper alternatief, en ze hebben een veelbelovende kandidaat gevonden in de vorm van Zink. Zie Zink als een betrouwbare, overvloedige en niet-brandbare buurman. Het bouwen van een batterij met Zink is echter lastig. Wanneer je probeert deze op te laden en te ontladen, lijnen de Zinkatomen zich niet altijd netjes uit; ze hebben de neiging om scherpe, naaldachtige stekels aan te groeien, genaamd dendrieten, die de batterij kortsluiting kunnen veroorzaken. Bovendien kan het water dat in deze batterijen wordt gebruikt soms reageren met het metaal, wat zorgt voor roest en energieverspilling.

Om deze problemen op te lossen, experimenteren onderzoekers met "hydrogels". Als een vloeibaar elektrolyt een zwembad is en een vaste batterij een baksteen, dan is een hydrogel als een natte spons. Het houdt water vast binnen een zacht, rekbaar net, waardoor ionen (geladen deeltjes) erdoorheen kunnen zwem deeltjes kunnen zwemmen terwijl alles op zijn plek blijft. De grote uitdaging is om de spons slim genoeg te maken om de Zinkatomen perfect te begeleiden en te voorkomen dat het water problemen veroorzaakt. Dit is waar een nieuwe studie van de Nanjing University of Science and Technology een stap zet, in een poging om een eenvoudige spons te veranderen in een hoogtechnologische verkeersregelaar voor elektriciteit.

De onderzoekers in dit artikel besloten een speciaal ingrediënt toe te voegen aan hun standaard polyacrylamide (PAM) hydrogel-spons. Ze namen een veelvoorkomende, natuurlijke stof genaamd natriumalginaat (die uit zeewier komt en vaak wordt gebruikt om ijs cremerig te maken) en gaven het een chemische make-over. Door het met een specifiek chemisch proces te behandelen, veranderden ze het in "Geoxideerd Natriumalginaat" (OSA). Je kunt dit proces zien als het geven van een nieuw setje "handen" en "haken" aan het oorspronkelijke zeewier. Het oorspronkelijke zeewier had enkele plakkerige delen, maar de OSA-versie heeft extra zuurstofrijke groepen die fungeren als kleine magneten voor water en Zinkionen.

Toen ze deze OSA in hun hydrogel-spons mengden, waren de resultaten als het upgraden van een modderig pad naar een gladde, brede snelweg. Het team ontdekte dat de nieuwe "PAM OSA-0.9" hydrogel (genoemd omdat ze 0,9 gram van het speciale ingrediënt per batch gebruikten) een meer open, poreuze structuur ontwikkelde. Het was alsof de spons plotseling grotere gaten kreeg, waardoor het makkelijker werd voor de Zinkionen om erdoorheen te razen. Vanwege deze open structuur en de nieuwe "magnetische" handen van de OSA, sprong het vermogen van de batterij om elektriciteit te geleiden aanzienlijk omhoog. De geleidbaarheid steeg van 16,2 mS cm⁻¹ naar 28,6 mS cm⁻¹. Nog beter: de "verkeerspolitie" binnen de gel werd veel efficiënter in het sturen van alleen de Zinkionen, waardoor het "Zn²⁺-transfersgetal" steeg van 0,88 naar 0,93. Dit betekent dat er minder energie wordt verspild aan andere bewegende delen en dat er meer vermogen precies gaat naar waar het nodig is.

De studie toonde ook aan dat deze nieuwe gel een meester is in het bewaren van de vrede aan het oppervlak van de batterij. In normale batterijen kan water ervoor zorgen dat Zink corrodeert (roest) of dat er waterstofgasbellen ontstaan, wat het leven van de batterij verkort. De door OSA gemodificeerde gel fungeerde als een beschermend schild, die het water kalmeerde en deze ongewenste reacties stopte. Als gevolg hiervan werd het "stabiliteitsvenster" van de batterij (het bereik van spanning dat het kan verwerken zonder kapot te gaan) uitgebreid van 2,36 V naar 2,47 V.

Wanneer ze de batterij in actie testten, was het verschil als dag en nacht. In een eenvoudige test waarbij de batterij herhaaldelijk werd opgeladen en ontladen (een "symmetrische cel"), liet de nieuwe gel de batterij 1.300 uur lang soepel draaien zonder te falen. In tegen afzetting begon de oude gel al na minder dan de helft van die tijd te sputteren en te falen. Toen ze een volledige batterij bouwden met een Zink-anode en een speciale Vanadium-kathode, hielp de nieuwe gel de batterij om 79% van zijn vermogen te behouden na 220 cycli. Nog indrukwekkender was dat, wanneer ze de batterij dwongenden zeer snel te werken (bij 5,0 A g⁻¹), deze erin slaagde 58% van zijn capaciteit vast te houden na een enorme 3.500 cycli.

De onderzoekers suggereren dat het geheime ingrediënt de manier is waarop de OSA de omgeving rondom het Zink verandert. In plaats van het Zink te laten groeien in die gevaarlijke, scherpe stekels, moedigt de gel het Zink aan om zich in platte, evenmatige lagen neer te leggen, zoals het smeren van boter op toast in plaats van het opstapelen tot een berg. Deze uniforme groei voorkomt dat de batterij kortsluiting veroorzaakt. Hoewel het artikel niet beweert dat dit de definitieve oplossing is voor elke batterij op aarde, suggereert het sterk dat het toevoegen van dit bio-afgeleide, op zeewier gebaseerde ingrediënt een eenvoudige en effectieve manier is om waterige Zinkbatterijen veiliger, duurzamer en krachtiger te maken. Het is een kleine aanpassing in het recept die het hele batterijsysteem veel soepeler laat verlopen.