Förnybara energikällor, som vind- och solenergi, kan bidra till att minska världens beroende av fossila bränslen. Men först behöver kraftföretag ett säkert, kostnadseffektivt sätt att lagra energin för senare användning.
Massiva litiumjonbatterier kan klara av detta arbete, men de förhindras av säkerhetsproblem och av begränsad tillgång till litium. Nu har forskare vid American Chemical Society tagit fram en prototyp av ett anodfritt, zinkbaserat batteri som använder billigt och naturenligt material.
Vattenhaltiga zinkbaserade batterier har tidigare undersökts för energilagring på nätet på grund av deras säkerhet och höga energitäthet. De hittills utvecklade uppladdningsbara zinkbatterierna har emellertid krävt tjocka zinkmetallanoder, som innehåller ett stort överskott av zink vilket ökar kostnaden.
Anoderna är också benägna att bilda dendriter, kristallenliga avsatser av zinkmetall som sätter sig på anoden under laddningen och kan sedan kortsluta batteriet.
Yunpei Zhu, Yi Cui och Husam Alshareef ville veta om en zinkanod verkligen behövdes. Uppmuntrade av tidigare undersökningar av "anodfria" litium- och natriummetallbatterier bestämde forskarna att skapa ett batteri där en zinkrik katod är den enda källan för zinklegering på en kopparströmkollektor.
För batteriet använde forskarna en mangandioxidkatod som de förinterkalerade med zinkjoner i en vattenhaltig zink-trifluormetansulfonat-elektrolytlösning och i en kopparfolieströmuppsamlare.
Under laddningen pläterades zinkmetall på kopparfolien, och under urladdningen avlägsnades metallen och därmed frigjordes elektroner som driver batteriet.
För att förhindra att dendriter bildas belade forskarna kopparströmkollektorn med ett lager av kolnanodiskar. Detta skikt gynnade enhetlig zinkplätering, vilket förhindrade dendriter och ökade effektiviteten för zinkplätering och strippning.
Batteriet visade prov på hög effektivitet, energitäthet och stabilitet och behöll 62,8 procent av sin lagringskapacitet efter 80 laddnings- och urladdningscykler. Forskarna anser att denna anodfria batteridesign öppnar nya möjligheter för användning av vatten- och zinkbaserade batterier i energilagringssystem.
