แบตเตอรี่สังกะสีไอออนแบบประจุกลับได้โดยใช้เอทิลีนคาร์บอเนตเป็นสารเติมแต่งในอิเล็กโทรไลต์

Abstract

แบตเตอรี่สังกะสีไอออนแบบประจุกลับได้ฐานน้ำ (aqueous rechargeable zinc-ion batteries, ARZIBs) เป็นเทคโนโลยีกักเก็บพลังงานที่ได้รับความสนใจอย่างแพร่หลายเนื่องจากขั้วที่ทำจากสังกะสีมีความจุพลังงานสูง มีความปลอดภัยในการใช้งานสูง เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม และใช้สังกะสีเป็นวัตถุดิบที่ต้นทุนต่ำและพบง่ายในประเทศ อย่างไรก็ตาม การใช้งานจริงของแบตเตอรี่ประเภทนี้ยังมีข้อจำกัดของอายุการใช้งานที่สั้นและมีประสิทธิภาพในการคายประจุที่ต่ำ ซึ่งส่วนใหญ่เป็นผลมาจากการเกิดการพอกพูนสังกะสีแบบกิ่งก้าน (zinc dendrites) บนขั้วแอโนด งานวิจัยนี้ศึกษาผลของสารเติมแต่งในอิเล็กโทรไลต์ฐานน้ำต่อสมรรถนะและอายุการใช้งานของแบตเตอรี่สังกะสีไอออนแบบประจุกลับได้ จากการศึกษาผลของการเติมเอทิลีนคาร์บอเนต (ethylene carbonate, EC) ในอิเล็กโทรไลต์ฐานน้ำโดยมี ZnSO4 ความเข้มข้น 2 โมลาร์และ MnSO4 ความเข้มข้น 0.5 โมลาร์เป็นเกลือ พบว่าการเติมเอทิลีนคาร์บอเนต 6% น้ำหนัก/ปริมาตร เป็นสัดส่วนที่เหมาะสมที่สุดที่ช่วยเพิ่มสมรรถนะของแบตเตอรี่ได้สูงที่สุด โดยในรอบแรกมีความจุในการคายประจุ 204.0 mA h/g และมีประสิทธิภาพความจุ 98.9% ที่ความหนาแน่นกระแสเท่ากับ 0.1 A/g และมีอัตราการอัดประจุย้อนกลับ (recovery rate) สูงถึง 99.0% หลังจากเปลี่ยนความหนาแน่นกระแสกลับจาก 5.0 A/g เป็น 0.1 A/g ซึ่งสูงกว่าอิเล็กโทรไลต์ฐานน้ำที่ปราศจากเอทิลีนคาร์บอเนตโดยมีความจุในการคายประจุในรอบแรก 111.5 mA h/g และประสิทธิภาพความจุ 97.8% ที่ความหนาแน่นกระแส 0.1 A/g และมีอัตราการอัดประจุย้อนกลับ 90.1% หลังจากเปลี่ยนจากความหนาแน่นกระแสกลับ 5.0 A/g เป็น 0.1 A/g และเมื่อทดสอบ แบตเตอรี่แบบครึ่งเซลล์ (Zn/Zn symmetric cells) เพื่อศึกษาคุณสมบัติการพอกพูนและการละลายสังกะสีในอิเล็กโทรไลต์ พบว่าแบตเตอรี่ที่มีเอทิลีนคาร์บอเนตมีอัตราการพอกพูนและละลายของสังกะสีที่เสถียรตลอดกระบวนการ ในขณะที่แบตเตอรี่ที่ปราศจากเอทิลีนคาร์บอเนตมีความไม่สม่ำเสมอของศักย์ไฟฟ้า และเมื่อวิเคราะห์ลักษณะทางกายภาพของขั้วแอโนดหลังทดสอบแบตเตอรี่แบบครึ่งเซลล์ พบว่าเอทิลีนคาร์บอเนตสามารถยับยั้งการเกิดการพอกพูนสังกะสีแบบแบบกิ่งก้านได้ดี