โครงสร้างแบตเตอรี่สังกะสี-อากาศใหม่เพิ่มความหนาแน่นของพลังงานถึง 80%

นักวิทยาศาสตร์ประดิษฐ์เทคโนโลยีใหม่ทำให้ความหนาแน่นของพลังงานของแบตเตอรี่เพิ่มสูงสุด 80% โดยไม่ต้องเปลี่ยนแปลงองค์ประกอบเคมีพื้นฐาน สถาบันวิทยาศาสตร์วัสดุบาร์เซโลนา (ICMAB-CSIC) ร่วมมือกับ ICN2 และมหาวิทยาลัยแห่งชาติลาปลาตา พัฒนาโครงสร้างแบตเตอรี่สังกะสี-อากาศใหม่ที่สามารถเพิ่มกำลังไฟฟ้าส่งออกได้โดยไม่เปลี่ยนแปลงเคมีแก่น การออกแบบแบตเตอรี่เป็นสิบกว่าปีสรุปเป็นกฎที่ไม่สามารถถอนตัวได้: รักษาคุณสมบัติไม่นำไฟฟ้าของอิเล็กโทรไลต์ อิเล็กตรอนอิสระในของเหลวจะทำให้เกิดวงจรปิด ทำให้แบตเตอรี่เสียหาย ทีมวิจัยนำโดย Nieves Casañ-Pastor และ Marc Mosqueda แสดงให้เห็นว่าการเพิ่มองค์ประกอบโลหะนำไฟฟ้าที่ไม่ได้เชื่อมต่อเข้าไปในอิเล็กโทรไลต์ สามารถปรับปรุงประสิทธิภาพได้อย่างปลอดภัย

โดยเฉพาะ การวิจัยพบว่าการนำแผ่นโลหะนำไฟฟ้าเข้าไปในของเหลวของแบตเตอรี่สังกะสี-อากาศไร้เยื่อหุ้ม สามารถสร้างแอโนด-คาธอดไร้สายได้ กลยุทธ์การออกแบบนี้เปิดทางใหม่สำหรับการเพิ่มกำลังและความสามารถในการชาร์จของเทคโนโลยีแบตเตอรี่อื่นๆ เกินกว่าระบบสังกะสี-อากาศ

การออกแบบแอโนด-คาธอดไร้สายแบบนวัตกรรม

ล้มอุปสรรคการไม่นำไฟฟ้า แบตเตอรี่ใช้วัสดุแอโนด-คาธอดสองชนิดที่แตกต่างกัน แยกโดยอิเล็กโทรไลต์ที่ขนส่งเฉพาะไอออน ไม่ใช่อิเล็กตรอน เมื่อแบตเตอรี่เริ่มทำงาน สนามไฟฟ้าภายในจะทำให้เกาะโลหะขั้วผันทันที ด้านหนึ่งมีประจุบวก อีกด้านหนึ่งมีประจุลบ การตอบสนองแบบไร้สายนี้สร้างทางเดินใหม่ในอิเล็กโทรไลต์ เร่งการเคลื่อนที่ของประจุและลดความต้านทานภายใน ผลลัพธ์สุดท้ายคือกระแสไฟฟ้าไหลเร็วขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ มีประสิทธิภาพมากขึ้น โดยไม่ต้องมีสายไฟเชื่อมต่อใดๆ Casañ-Pastor กล่าวว่า "ปกติแล้ว หากวัสดุชนิดใดสามารถขนส่งอิเล็กตรอนในอิเล็กโทรไลต์ได้ จะทำให้เกิดวงจรปิด และแบตเตอรี่ก็จะไม่สามารถทำงานต่อได้

เรื่องที่น่าประหลาดใจคือตัวนำเหล่านี้ไม่ได้เชื่อมต่อกับอุปกรณ์ใดๆ: มันเพียงแค่วางอยู่ภายในระบบ แต่ก็ยังสามารถสร้างผลที่เป็นประโยชน์ได้ เปลี่ยนแปลงกำลังหรือความสามารถในการชาร์จอย่างมีนัยสำคัญ"

กุญแจสู่การเพิ่มประสิทธิภาพแบตเตอรี่

ระบบสังกะสี-อากาศมีราคาถูก ไม่มีความเสี่ยงการระเบิด และพึ่งพาวัสดุที่พบได้อุดมสมบูรณ์บนโลก ความปลอดภัยคือจุดแข็ง แต่ความเร็วมาจำกัดด้วยปฏิกิริยาออกซิเจนที่ช้า ส่งผลต่อกำลังไฟฟ้าส่งออก ทีมวิจัยลดความต้านทานภายในเหลือเพียงส่วนเล็กน้อยของระดับปกติผ่านการแทรกแอโนด-คาธอดไร้สายเหล่านี้ ดังนั้น พลังงานในระบบจึงเคลื่อนที่เร็วขึ้นอย่างมาก ประสิทธิภาพและความเร็วของแบตเตอรี่ทั้งระบบดีขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ ในการศึกษานี้ พลาตินัม (Pt) และสังกะสี (Zn) ถูกทดสอบเป็นแผ่นโลหะขนาดเล็กที่วางตรงในอิเล็กโทรไลต์ของเหลวของแบตเตอรี่ เพื่อทำหน้าที่เป็นแอโนด-คาธอดไร้สาย

การลดความต้านทานภายใน โมเมนต์ไดโพลที่เกิดจากการเหนี่ยวนำทำให้ความต้านทานออมภายในลดลงสูงสุด 64% และลดความต้านทานการถ่ายโอนประจุเพิ่มเติม ส่งเสริมการไหลของพลังงานภายในแบตเตอรี่ การเปลี่ยนวัสดุและรูปทรงเรขาคณิตสร้างการปรับปรุงประสิทธิภาพที่มีนัยสำคัญในตัวชี้วัดแบตเตอรี่สำคัญ ความหนาแน่นกำลังตามปริมาตรเพิ่มสูงสุด 80% ในขณะที่ความหนาแน่นกระแสขีดจำกัดเพิ่มขึ้นเกิน 50% ระบบยังบรรลุการลดโอเวอร์พอเทนเชียลสูงสุด 300 mV ทำให้การส่งพลังงานเร็วขึ้นและมีประสิทธิภาพมากขึ้น แบตเตอรี่สังกะสี-อากาศกำลังสูงให้ตัวเลือกที่เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมสำหรับการเก็บพลังงานเครือข่ายหมุนเวียน (เช่น การบูรณาการพลังงานแสงอาทิตย์และลม) และพึ่งพาองค์ประกอบเคมีที่ไม่มีพิษและไม่ไหม้ทั้งหมด

นักวิจัยระบุว่าการพัฒนานี้สะท้อนกลยุทธ์ที่กว้างขึ้นของการเพิ่มประสิทธิภาพแบตเตอรี่ มากกว่าการแก้ไขแบบจุดเดียว และได้สังเกตประโยชน์ที่คล้ายกันในเทคโนโลยีการเก็บพลังงานอื่นๆ ที่เกินกว่าระบบสังกะสี-อากาศ นักวิจัยจะต่อยอดสำรวจการประยุกต์ใช้ใหม่ของสถาปัตยกรรมแอโนด-คาธอดไร้สายนี้ เพื่อเสริมสร้างพารามิเตอร์แบตเตอรี่หลากหลาย การวิจัยนี้ตีพิมพ์ในวารสาร Energy Storage Materials