Tańsze akumulatory przy większej gęstości

Naukowcy z Amerykańskiego Departamentu Energii PNNL stworzyli nowy rodzaj akumulatora. Chodzi tu konkretnie o materiały, stanowiące główny element takiej baterii ładowalnej: cynkowo-manganowe (a dokładniej; elektrody akumulatora składające się z cynku i dwutlenku manganu: Zn + MnO2). Wyniki badań opublikowano w Nature Energy. Jednak jak sami naukowcy podają, idea tego typu baterii nie jest nowa. Pierwsze próby stworzenia tego typu akumulatorów podejmowano już na początku lat 90 ubiegłego wieku. Miała być to tańsza alternatywa dla ogniw litowo-jonowych, jak podaje Jun Liu – jeden z pracowników laboratorium. Jednakże takie akumulatory nie nadawały się do użytku po zaledwie kilku ładowaniach. Naukowcy odkryli, że problemem była równowaga chemiczna w takich akumulatorach cynkowo-manganowych, nad którą traciło się kontrolę. Postanowiono na nowo podejść do problemu stworzenia takich baterii. W akumulatorach litowo-jonowych, energia jest gromadzona i uwalniana w procesie „wtrętu” (tj. „intercalation”). Chodzi o to, że jony litu wchodzą, lub wychodzą z luk pomiędzy atomami elektrod w takich akumulatorach. Pierwotnie założono, że podobny proces występuje w akumulatorach cynkowo-manganowych. Podczas testów i badań nad pierwszymi akumulatorami zaobserwowano jednak, że zamiast wędrujących jonów cynku, baterie przechodziła przez odwracalny proces reakcji chemicznej, zmieniając ich aktywne cząsteczki w zupełnie inne – nowe. Jako, że baterie te były bardzo atrakcyjne na papierze (BOM), postanowiono kontynuować badania. Mogą być bowiem tak tanie, jak akumulatory kwasowo-ołowiowe (dzięki tanim związkom wykorzystanym do ich budowy – cynk i mangan), a przy tym znacznie od nich pojemniejsze. Prototypowy akumulator składał się z elektrody minusowej z cynku i dodatniej z dwutlenku manganu, a elektrolit oparty był na zwykłej wodzie. Tak jak wcześniej, również w tym przypadku, po kilku ładowaniach akumulator przestał funkcjonować. Jednak wbrew założeniom, problemem nie była interakcja cynku z dwutlenkiem manganu. Do pracy zaprzęgnięto najnowocześniejszy sprzęt badawczo-pomiarowy, wśród nich mikroskopy elektronowe, rezonans magnetyczno-nuklearny oraz prześwietlenia rentgenowskie dyfrakcyjne. Po przeprowadzanych badaniach udało się odkryć, że dwutlenek manganu reaguje (odwracalnie) z samym elektrolitem, tworząc nowy materiał: hydroksylowy siarczan cynku („zinc hydroxyl sulfate”). Innymi słowy, właściwości akumulatora „wyczerpywały się”, ponieważ mangan z elektrody złuszczał się, sprawiając, że materiał aktywny stawał się niedostępny i przestał w należyty sposób gromadzić energii. Mangan zaczął rozpuszczać się w elektrolicie, a kolejne procesy ładowania stabilizowały pojemność akumulatora na coraz to niższym poziomie, w związku z w/w procesem. Zespół postanowić przeciwdziałać złuszczaniu się manganu. Odkryli oni także, że proces rozpuszczania się manganu w elektrolicie może zostać spowolniony, poprzez wstępne zwiększenie koncentracji manganu w samym elektrolicie. Postanowiono dodać jony manganu do elektrolitu i akumulator poddano nowej serii testów. Wyniki były ciekawe. Tym razem udało się naładować i rozładować akumulator nawet 5000 razy, po czym zachowano jego pojemność początkową w 92%. Gęstość energii wynosiła 285 mAh na gram dwutlenku manganu. Dowiedziono, że równowagę chemiczną można osiągnąć poprzez odpowiednie reakcje chemiczne, tworząc wydajne i sprawne działające akumulatory cynkowo-manganowe. Mogą też stanowić wydajne źródło energii, nawet na większą skalę.