Bezpieczne akumulatory cynkowo-jonowe z elektrolitem żelowym

Zjawiska termiczne od dawna są istotnym problemem w projektowaniu akumulatorów o wysokiej gęstości energii i dużej mocy. Tego rodzaju ogniwa generują dużo ciepła podczas szybkiego ładowania i rozładowywania dużym prądem, co jest niebezpieczne. Problematyczne jest zwłaszcza ryzyko związane z przeładowaniem lub zwarciem takiego ogniwa. 

Aby poprawić poziom bezpieczeństwa w nowoczesnych ogniwach, stosuje się rozmaite zabezpieczenia, wbudowane bezpieczniki czy środki gaśnicze. Niestety większość z nich zapewnia jednorazową ochronę i nie umożliwia powrotu do działania akumulatora po awarii, gdy np. temperatura wróci do bezpiecznego poziomu. 

Obecnie badacze poszukują bezpiecznych i inteligentnych rozwiązań tego problemu. Umożliwić to ma projektowanie ogniw, które powracają do działania po ustaniu niebezpiecznych dla nich okoliczności. Tego rodzaju działanie wymaga dynamicznej zmiany procesów elektrochemicznych w ogniwie w odpowiedzi na zmieniającą się temperaturę ogniwa. 

Jednym z sposobów na uzyskanie takiego poziomu adaptacji jest wykorzystanie przejścia sol-żel w hydrożelach. Wielu badaczy interesuje się tym tematem i widać już pierwsze tego rezultaty. Hydrożele w temperaturze pokojowej i niższej są w stanie płynnym. Rozgrzanie ich powyżej temperatury krytycznej powoduje przejście w stały żel. Proces ten jest w pełni odwracalny. Opracowano szereg polimerów, które pozwalają na realizację tego przejścia. Są one doskonałymi kandydatami na elektrolity akumulatorów przyszłości. 

Zespół kierowany przez profesora Chunyi Zhi z Miejskiego Uniwersytetu w Hong Kongu stworzył nowoczesny, czuły na temperaturę polimer, w którym obserwować można przejście sol-żel. Składa się on z poli (kwasu N-izopropyloakryloamido-koakrylowego) (PNA).  

PNA wykorzystano w ogniwie cynkowy z dwutlenkiem manganu. System, po podgrzaniu do temperatury krytycznej, przestaje działać – przejście elektrolitu w stan żelu skutecznie wstrzymuje migrację jonów cynkowych, co doprowadza do zwiększenia rezystancji wewnętrznej ogniwa i zmniejszenie pojemności. W konsekwencji akumulator przestaje działać. Po ochłodzeniu ogniwa przejście następuje w odwrotną stronę i akumulator znowu funkcjonuje, jak wcześniej.  

Dodatkową zaletą wykorzystania przejścia sol-żel jest to, że ogniwo ma różne charakterystyki ładowania/rozładowania w różnej temperaturze. Dzięki temu regulacja ogniwa działa w ‘inteligentny’ i dynamiczny sposób.  

Nowe ogniwa dają ogromną nadzieję na przyszłość. Prace zespołu z Hong-Kongu wskazują, że nowa technologia umożliwi stworzenie bezpiecznych akumulatorów opierających się na odwracalnym przejściu sol-żel. 

Źródło: phys.org