The pursuit of safe, affordable, and reliable alternatives to lithium-ion batteries has gained traction as global demand rapidly depletes reserves of raw materials. Enter aqueous zinc-ion batteries (AZIBs), a potential game-changer in the quest for low-cost rechargeable batteries made from abundant feedstocks. Scientists at Flinders University are spearheading research on polymer AZIBs with organic cathodes, offering a sustainable solution for energy storage technology.
Associate Professor Zhongfan Jia, a nanotech researcher at Flinders University’s College of Science and Engineering, believes that AZIBs hold great promise for real-world applications. As the demand for lithium-ion batteries continues to soar, resource shortages and supply-chain issues of strategic metals like lithium and cobalt have surfaced. Additionally, the improper recycling of millions of spent batteries poses significant waste and environmental risks, which AZIBs aim to mitigate.
What sets AZIBs apart is the abundance of zinc in the earth’s crust, which is ten times greater than that of lithium. Furthermore, AZIBs boast low toxicity and high safety. Typically, these batteries employ zinc metal as an anode, coupled with inorganic or organic compounds as cathodes. While efforts have been made to enhance the stability of zinc anodes, the development of high-performing cathodes remains a major challenge.
The research team led by Associate Professor Jia focuses on enhancing conductivity by utilizing nitroxide radical polymer cathodes derived from affordable commercial polymers. Through the optimization of battery performance with cost-effective additives, their work has resulted in the highest mass loading achieved so far. These breakthrough findings have been published in the Journal of Power Resources.
Under the leadership of Flinders master student Nanduni Gamage and postdoctoral fellow Dr. Yanlin Shi, the team successfully developed a lab-made pouch battery. This battery utilized scaled-up polymer with an approximate cost of $20 per kilogram, a non-fluoro Zn(ClO4)2 electrolyte, and BP 2000 carbon black priced at $1 per kilogram. Notably, no binder was required in the battery’s construction, providing an optimal capacity for energy storage.
The advancements made by the Flinders University team in the field of AZIBs offer a viable alternative to conventional lithium-ion batteries. With further research and development, these polymer AZIBs could revolutionize the rechargeable battery industry, paving the way for a more sustainable and efficient energy storage future.
주로 리튬이온 배터리의 수요가 급증함에 따라 세계적인 수요가 급격히 줄어들어가는 원자재의 보유량을 고려하여 안전하고 저렴한 대안을 찾으려는 노력이 커지고 있다. 수분 아연이온 배터리(AZIBs)는 풍부한 원료로 만들어진 저렴한 충전식 배터리를 위한 잠재력이 있는 혁신적인 기술이다. Flinders 대학의 과학과 공학 학부에 소속된 나노기술 연구원인 Jia 교수는 유기 카토드를 가진 AZIBs가 실제 응용에 큰 기대를 가질 수 있다고 생각한다. 리튬이온 배터리에 대한 수요는 계속해서 증가하고 있으며, 리튬과 코발트와 같은 전략 금속의 자원 부족과 공급망 문제가 나타나고 있다. 또한, 수백만 개의 사용된 배터리의 적절하지 못한 재활용은 심각한 폐기물과 환경 위험을 초래하고 있는데, AZIBs는 이를 완화하기 위한 목표를 가지고 있다.
AZIBs의 가장 큰 특징은 지구 표면에 있는 아연의 풍부함으로, 리튬보다 10배 이상 많이 존재한다는 것이다. 게다가, AZIBs는 낮은 독성과 높은 안전성을 자랑한다. 일반적으로 이러한 배터리는 아연 금속을 애노드로 사용하며 무기나 유기 화합물을 카토드로 사용한다. 아연 애노드의 안정성을 향상시키기 위한 노력이 이뤄지고 있지만, 고성능 카토드의 개발은 여전히 큰 도전 과제이다.
Jia 교수를 비롯한 Flinders 대학의 연구팀은 저렴한 상업용 고분자로부터 유래한 질소옥소라디칼 고분자카토드를 활용하여 전도성을 향상시키기에 집중하고 있다. 경제적 첨가물을 이용한 배터리 성능의 최적화를 통해, 그들의 연구는 지금까지 이루어진 것 중 가장 큰 질량 적재를 달성했다. 이러한 중요한 결과는 Journal of Power Resources에 발표되었다.
Nanduni Gamage 석사과정 학생과 박사 후 연구원인 Yanlin Shi 박사의 지도 아래, 연구팀은 실험용 배터리를 개발하는 데 성공했다. 이 배터리는 임의의 가격인 1kg당 약 20달러인 유연할 수 없는 Zn(ClO4)2 전해질과 1kg당 1달러인 BP 2000 탄소 블랙을 이용한 확장된 폴리머를 사용하였다. 특히, 이 배터리의 구조에는 접착제가 필요하지 않아 에너지 저장에 최적의 용량을 제공한다.
Flinders 대학 연구팀의 이러한 발전은 전통적인 리튬이온 배터리에 대한 대안을 제공한다. 더 많은 연구와 개발을 통해, 이러한 폴리머 AZIBs는 충전식 배터리 산업을 혁신하고, 보다 지속 가능하고 효율적인 에너지 저장의 길을 열어갈 수 있다.