Van zink en mangaandioxide kun je oplaadbare batterijen maken die goedkoper én milieuvriendelijker zijn dan lithium-ionaccu’s. Mits je je elektrolyt slim samenstelt, claimen Jun Liu en collega’s van Pacific Northwest National Laboratory.
Uiteraard is de combinatie van elementen verre van nieuw: klassieke ‘zink-koolstofcellen’ werken er al honderd jaar mee. Alleen zijn die in principe niet oplaadbaar: de reacties aan de MnO2-kathode zijn te complex om zomaar om te keren.
In eerste instantie wilde Liu die chemie daarom niet gebruiken. Hij dacht aan een Li-ionaccu met zink in plaats van lithium in de anode. Daarbij had hij dus een kathode nodig die zinkionen kon absorberen. Dat hij daarvoor MnO2 koos, had alles te maken met publicaties die suggereerden dat zinkionen kunnen ‘intercaleren’ in een MnO2-kristalrooster. Het resultaat zou een ander mineraal zijn, een zogeheten spinel dat zich liet omschrijven als ZnMn2O4.
Met een zinksulfaatoplossing als elektrolyt in plaats van het gebruikelijke ammonium- of zinkchloride, en MnO2 in de vorm van nanovezels om de absorptie te vergemakkelijken, kreeg hij inderdaad een accu die oplaadbaar was. Maar al na twee cycli vielde capaciteit dramatisch terug.
Liu vermoedde dat dat kwam doordat mangaanionen worden gereduceerd en dan oplosten in het elektrolyt. Door van tevoren 0,1M MnSO4 aan dat elektrolyt toe te voegen wist hij dat effect als het ware te bufferen. De accu werd inderdaad veel stabieler.
Maar toen hij de kathode nog eens goed bekeek onder de transmissie-elektronenmicroscoop, werd duidelijk dat er iets heel anders mee gebeurde dan verwacht. Al na de eerste ontlading bleken de vezels te zijn opgebroken tot korte stukjes en brokjes. En wat er aan kristalvlakken was te zien, suggereerde dat het geen MnO2 of ZnMn2O4 was maar MnOOH.
Liu vermoedt nu dat je toch weer een ingewikkelde kathodereactie krijgt. Water uit het elektrolyt wordt gesplitst in H+ en OH-. De H+ reageert met MnO2 en een elektron uit de zinkanode tot MnOOH. De OH- combineert intussen met Zn2+ tot zinkhydroxide, en röntgendiffractiemetingen suggereren dat dát weer samen met het zinksulfaat neerslaat als ZnSO4[Zn(OH)2]3 . xH2O. Die kristallen kunnen even makkelijk weer oplossen en de transformatie van het mangaanoxide is eveneens omkeerbaar, zodat je inderdaad een oplaadbare accu krijgt..
Het prototype had na 5.000 cycli nog 92 % van zijn capaciteit over, claimt Liu in Nature Energy.
bron: DOE/PNNL, Nature Energy
Nog geen opmerkingen