工業用塩はより安全で持続可能な亜鉛電池を作る
Industrial Salt Makes a safer and More Sustainable Zink Battery
By Isabelle Dumé
https://physicsworld.com/ 2022.02.13
亜鉛をベースにした電池は、広く使用されているリチウム・イオン電池の従兄弟に代わる有望な代替品であるが、電極の表面に形成された電解質に成長し、最終的に電池を短絡または発火させる樹枝状突起と呼ばれる針状の構造という同じ欠点の1つに苦しんでいる。中国の天津大学のQuan-Hong Yangが率いる研究者達は､現在、広く使用されている工業用塩とエチレングリコール溶媒から作られた有機電解質の形で部分的な治療法を開発した。一緒に、これらの材料は樹枝状突起成長から亜鉛電極を保護する保護層を形成する。
リチウム・イオン電池は携帯型電子器機や電気自動車で今日選択されている電池であるが、それらに含まれる可燃性および有毒な有機電解質は懸念の原因である。リチウムはまたは他のより一時的な金属と比較して高価であり、世界的な供給は様々な不確実性の影響を受ける。亜鉛電池は通常、水性電解質で形成されるが、亜鉛はリチウムよりも安価で毒性が低く、リサイクルが容易で、より広く入手可能であるため、魅力的な代替品である。また、高い比容量(820 mAh/gおよび5,855 mAh/cm3)を備えた高いエネルギー密度を備え、そして亜鉛陰極の良好な酸化還元電位(標準水素電極に対して－0.76 V)も備えている。
しかし、亜鉛技術の実装は全ての平凡な航海ではなく、克服すべきいくつかの大きな技術的障壁がある。その1つが前述の樹枝状突起の成長である。もう1つは水素の発生や水との腐食などの副反応を起こす材料の傾向である。これらの副反応は、電解質と亜鉛陰極の両方を連続的に消費することによって、電池のサイクル安定性を危険にさらし、それぞれの寿命を短くする。
これらの問題の根本的な原因は、金属亜鉛陰極と水電解質との間の相互作用である。それらを避ける1つの方法は、水を含まない電解質を使用することである。このような電解質は高価であり、イオンをうまく伝導せず、危険でさえありえる。したがって、研究者達は亜鉛陰極を水から保護するための代替戦略を探している。
新しい抑圧戦略
今回、Yang達の研究グループが使用した塩は、四フッ化ホウ酸亜鉛水和物(Zn(BF4)2)で、電池にはほとんど採用されていない。しかし、それにもかかわらず、は難燃剤として作用する電気メッキおよび繊維製造において顕著な用途を有する。この塩を－偶然にも、従来のZnSO4電解質よりも安価な材料であるエチレングリコールと結合させることによって、研究者達は亜鉛樹枝状突起の成長を抑制するだけでなく、副反応を抑制する不動態化層の保護ZnF2の形成を促進させることができた。
得られた含水Zn(BF4)2/エチレングリコール電解質は不燃性で、-30℃～40℃の広い範囲で動作する。電極は99.4％の高いクーロン効率で、0.5 mA/cm2の電流密度で4000時間以上サイクルすることができる。これらの数字に基づいて、Yangは新しい電解質は安全で高性能で持続可能な亜鉛電池の開発に大きな期待を示していると言う。「我々は現在、装置を改善し、そのような電池の迅速な実用化を促進するために、より多くの電解質製剤を探求する予定である。」と彼はPhysics Worldに語った。
