Hierarchical Cotton Pulp Fiber-Microfibrillated Cellulose Separator for Long- Cycle-Life Aqueous Zinc-Ion Batteries

Energieopslag is de stille ruggengraat van een moderne wereld die wordt aangedreven door de zon en de wind. Wanneer de zon schijnt of de wind waait, moet elektriciteit worden opgevangen en bewaard voor later gebruik, een taak die momenteel wordt gedomineerd door lithium-ionbatterijen. Hoewel deze batterijen onze telefoons en auto's van stroom voorzien, zijn ze afhankelijk van materialen die duur zijn om te ontginnen en vaak vloeistoffen bevatten die brandbaar zijn en brand kunnen vatten. Wetenschappers zoeken daarom naar veiligere, goedkopere alternatieven die de enorme schaal kunnen aan die nodig is om hele steden van stroom te voorzien. Een veelbelovende kandidaat is de waterige zink-ionbatterij. Deze apparaten gebruiken watergebaseerde vloeistoffen om energie te verplaatsen, waardoor ze inherent veiliger zijn en gemaakt zijn van overvloedige, goedkope materialen. Echter, net als een jonge boom die te snel groeit, heeft de zink in deze batterijen de neiging om scherpe, naaldachtige stekels te vormen die dendrieten worden genoemd. Deze stekels kunnen de barrière tussen de positieve en negatieve zijden van de batterij doorboren, wat ervoor zorgt dat de batterij faalt of kortsluiting veroorzaakt. Om deze batterijen lang genoeg te laten meegaan om nuttig te zijn, moeten onderzoekers een manier vinden om deze stekels te stoppen met groeien en de interne structuur van de batterij intact te houden.

Een team van onderzoekers aan de Xinjiang Universiteit en de Tianjin Universiteit heeft een nieuwe barrière, of separator, ontwikkeld die specifiek is ontworpen om dit probleem op te lossen. In plaats van synthetische plastics of glasvezels te gebruiken, hebben zij zich tot de natuur gekeerd en een separator gemaakt die volledig uit katoen bestaat. Ze combineerden twee vormen van cellulose, het belangrijkste structurele onderdeel van celwanden van planten: katoenpulpvezels en microfibrillaat-cellulose. De katoenpulp levert lange, micron-schaal vezels, terwijl de microfibrillaat-cellulose bestaat uit piepkleine, nano-schaal strengen. Door deze twee materialen te mengen en ze door een vacuüm te filteren, creëerden de onderzoekers een dichte, verweven mat. Deze mat heeft een hiërarchische structuur, wat betekent dat het poriën van verschillende groottes heeft die samenwerken. De grotere poriën laten de vloeibare elektrolyt snel stromen, terwijl het dichte netwerk van minuscule vezels fungeert als een sterk schild tegen de groeiende zinkstekels.

De resultaten van deze aanpak werden in het laboratorium met indrukwekkende precisie gemeten. De nieuwe katoen-gebaseerde separator bleek opmerkelijk sterk te zijn, met een treksterkte van 23,36 megapascal, wat de 0,2 megapascal van de standaard glasvezelseparators die momenteel in gebruik zijn, ver overtreft. Deze sterkte is cruciaal omdat het voorkomt dat de separator scheurt tijdens het assembleren van de batterij of wanneer zinkstekels erdoorheen proberen te duwen. Het materiaal absorbeerde ook efficiënt de vloeibare elektrolyt van de batterij en liet zinkionen er soepel doorheen bewegen. Wanneer de onderzoekers de capaciteit van de batterij om herhaaldelijk te laden en te ontladen testten, was het verschil groot. Een batterij uitgerust met de nieuwe katoen-separator draaide meer dan 1.200 uur bij een constante stroom, terwijl een batterij met de standaard glasvezelseparator na slechts 400 uur faalde. Zelfs onder veeleisendere omstandigheden, waarbij de batterij werd gevraagd om een grote hoeveelheid energie in een kleine ruimte op te slaan, liet de katoen-separator de batterij meer dan 200 uur functioneren zonder te falen, terwijl de glasvezelversie in minder dan 100 uur kortsluiting veroorzaakte.

Een nadere inspectie van de batterijen na de tests onthulde waarom de katoen-separator zo goed presteerde. In de batterijen met de standaard glasvezelseparator groeide het zinkmetaal uit tot ruwe, ongelijkmatige stekels die de separator beschadigden en een rommelig oppervlak creëerden. In contrast hiermee vertoonden de batterijen met de katoen-separator een gladde, vlakke laag zink, wat aangeeft dat het metaal gelijkmatig werd afgezet in plaats van gevaarlijke stekels te vormen. Het katoenmateriaal hielp ook bij het verminderen van de vorming van ongewenste chemische bijproducten die de batterij kunnen verstoppen. Wanneer de onderzoekers een volledige batterij bouwden met een vanadium-gebaseerd materiaal voor de positieve zijde, hielp de katoen-separator de batterij om ongeveer 83 procent van zijn capaciteit te behouden na 100 cycli, terwijl de standaard separator ervoor zorgde dat de capaciteit daalde naar slechts 17 procent. Zelfs na 1.200 cycli bij een hoge snelheid, behield de batterij met de katoen-separator nog steeds een specifieke capaciteit van 92,4 milliampere-uur per gram.

Dit werk suggereert dat een eenvoudig, biologisch afbreekbaar materiaal gemaakt van katoen een complexe synthetische alternatieven kan overtreffen in de harde omgeving van een metaalbatterij. De onderzoekers ontdekten dat de combinatie van lange vezels en minuscule nanofibers een structuur creëerde die zowel sterk genoeg was om stekels te blokkeren als poreus genoeg om energie door te laten. Hoewel het artikel opmerkt dat verdere optimalisatie nodig is voor extreem snelle het laden, bieden de bevindingen een duidelijk pad voorwaarts. Door een hernieuwbare bron te gebruiken die al overvloedig en goedkoop is, biedt deze aanpak een duurzame manier om veiliger, langer meegaande batterijen te bouwen voor de toekomst van energieopslag.