Cink–levegő akkumulátorokban alkalmazható hidrogélek előállítása és vizsgálata

Preparation and investigation of hydrogels for use in zinc–air batteries

Abstract

During our research, we prepared a cross-linked polyacrylic acid-based hydrogel, which was successfully used as an electrolyte in zinc–air batteries after swelling. During the preparation of the gel, we used ammonium persulfate (APS) as an initiator and N,N'-methylenebisacrylamide (MBAA) as a crosslinker. Several gels with different crosslinking densities were prepared, which were swelled in solutions with different concentrations of Zn(OH)₄^2– and KOH. In the electrochemical cell, the anode was a high-purity polished zinc plate, while the cathode was activated carbon (applied on nickel foam) containing a poly(vinylidene fluoride) (PVDF) binder. Our investigations showed that gels swollen in solutions with higher KOH and lower zincate concentrations exhibited good electrochemical efficiency: they functioned as rechargeable batteries for more than 32 hours (16 cycles) with almost 100% Coulomb efficiency, and the operating potential was also low (ΔU = 0.4 V). This allowed us to develop a new type of electrolyte alternative for Zn–air batteries that is easy to use, cost-effective, and safe.

Kivonat

Kutatásaink során olyan, térhálósított poliakrilsav alapú hidrogélt állítottunk elő, amelyet duzzasztás után sikeresen alkalmaztunk elektrolitként cink–levegő akkumulátorokban. A gél készítése során iniciátornak ammónium-perszulfátot (APS) használtunk, míg térhálósítónak N,N’-metilén-bisz-akrilamidot (MBAA). Több különböző térhálósűrűségű gélt is előállítottunk, amelyeket eltérő Zn(OH)₄^2– és KOH koncentrációjú oldatokban duzzasztottunk. Az elektrokémiai cellában az anód nagytisztaságú polírozott cinklemez volt, míg a katód nikkelhabra felvitt, poli(vinilidén-fluorid) (PVDF) bindert tartalmazó aktív szén. Vizsgálataink azt mutatták, hogy a nagyobb KOH és kisebb cinkát koncentrációjú oldatokban duzzasztott gélek jó elektrokémiai hatékonyságot mutattak: több mint 32 órán (16 cikluson) át működtek akkumulátorként majdnem 100%-os Coulomb-hatásfok mellett, továbbá a működési potenciál is kicsi volt (ΔU = 0,4 V). Ezáltal egy újtípusú elektrolit alternatívát sikerült kifejlesztenünk Zn–levegő akkumulátorokhoz, amelyek egyszerűen alkalmazhatóak, költséghatékonyak és biztonságosak is egyben.