Današnje baterije na bazi cinka često imaju relativno kratak vijek trajanja jer se njihovi materijali postupno razgrađuju tijekom opetovanih ciklusa punjenja i pražnjenja.
Izmjenom kemijskog sastava katode, kineski su istraživači razvili novu tekuću cink-ionsku bateriju koja zadržava gotovo 90 posto svog kapaciteta nakon više od 10 tisuća ciklusa punjenja i pražnjenja. To bi trebalo biti dovoljno za više od 3500 sati neprekidnog rada.
Postojeće vodene cink-ionske baterije obično koriste katode na bazi joda jer one nude visoku stabilnost tijekom ciklusa, mogućnost brzog punjenja i pražnjenja te potencijal za pohranu velikih količina energije.
Međutim, imaju i određena ograničenja – slabo provode električnu energiju, prolaze kroz strukturne promjene tijekom punjenja i pražnjenja baterije te omogućuju migraciju jodnih iona unutar baterije. Taj takozvani efekt prijenosa smanjuje učinkovitost, ubrzava razgradnju materijala i skraćuje vijek trajanja baterije.
Kako bi prevladali te izazove, istraživači sa Sveučilišta Jilin i Instituta za primijenjenu kemiju iz Changchuna modificirali su kemiju funkcionalnih skupina katode te razvili samonosive katode od ugljikovih nanocijevi.
U svojim su eksperimentima usporedili sposobnost adsorpcije joda kod modificiranih ugljikovih nanocijevi u odnosu na one nemodificirane. Proučavali su nanocijevi funkcionalizirane hidroksilnim (‒OH), karboksilnim (‒COOH) i aminskim (‒NH₂) skupinama kako bi utvrdili koja površinska kemija daje najbolje rezultate.
Primjenom spektroskopskih i mikroskopskih tehnika, istraživači su potvrdili uspješno uvođenje funkcionalnih skupina, kao i ravnomjernu raspodjelu joda unutar materijala katode.
Otkrili su kako nanocijevi modificirane hidroksilnim skupinama djeluju poput malenih sidara, zadržavajući jodne ione na mjestu gdje trebaju biti, umjesto da im dopuste migraciju kroz bateriju. Time su smanjeni gubici energije, uz istovremeno poboljšanje učinkovitosti i dugoročne stabilnosti.
Laboratorijska ispitivanja pokazala su kako nova katoda pruža početni reverzibilni kapacitet od 175,5 miliamper-sati po gramupri gustoći struje od 1 ampera po gramu,uz istovremeno održavanje izvrsne trajnosti. Nakon više od 10 tisuća ciklusa punjenja i pražnjenja baterija je zadržala 89,34 posto zvornog kapaciteta. Pri većoj gustoći struje od 10 A/g, baterija je ostvarila kapacitet od 120 mAh/g, uz vijek trajanja od 93.400 ciklusa punjenja i pražnjenja.
Napredne tehnike – uključujući in situ Ramanovu spektroskopiju provedenu tijekom rada baterije te ex situ rendgensku fotoelektronsku spektroskopiju provedenu nakon ciklusa – potvrdile su kako su se spojevi joda tijekom punjenja i pražnjenja opetovano i reverzibilno pretvarali iz jednog oblika u drugi.
Istraživači su također utvrdili kako modificirana katoda učinkovito eliminira neželjeni efekt prijenosa joda, sprječavajući zadržavanje iona joda u elektrolitu, čime se smanjuju gubici energije i poboljšava stabilnost baterije.
Kako bi demonstrirao praktični potencijal, tim je izradio veći prototip baterije u obliku vrećice, koji sadrži 150 miligrama joda. Baterija je radila pri naponu od 1,1 volta, ostvarila stvarni kapacitet od 23,8 mAh te nakon 350 ciklusa punjenja i pražnjenja zadržala 91,7 posto svog izvornog kapaciteta.
Rezultati istraživanja su objavljeni u časopisu Science China Chemistry.
