Met een geconcentreerde waterige oplossing van een organolithiumverbinding als elektrolyt, kun je zinkanodes toepassen in accu’s zonder dat ze pijlsnel achteruit gaan. En je hoeft geen water bij te vullen, schrijven Chunsheng Wang en collega’s uit Maryland in Nature Materials.

Dat zink is een van de oudste elektrodematerialen die er bestaan, maar dan vooral in batterijen voor eenmalig gebruik. De oppervlaktechemie van zink in water leent zich niet echt voor laadcycli waarbij een deel van het metaal in oplossing moet gaan en vervolgens weer moet neerslaan. De Coulombische efficiëntie is erg laag en het oppervlak wordt verruwd door dendrietvorming. Bovendien krijg je nevenreacties met het water, dat dus regelmatig moet worden bijgevuld.

Vandaar dat zinkaccu’s vrijwel helemaal zijn verdrongen door efficiëntere lithiumaccu’s, ook al is lithium duurder en zijn de bijbehorende (watervrije) elektrolytvloeistoffen brandbaar en toxisch.

Wang en collega’s stellen nu dat de problemen met zink vooral worden veroorzaakt doordat Zn²⁺ zich te sterk aan watermoleculen bindt. Je krijgt (Zn(H₂O)₆)²⁺, wat het neerslaan van het zink op de anode in de weg zit. Daarnaast vormt Zn²⁺ te makkelijk een hydroxide met OH^- dat toevallig langskomt.

Ze zoeken de oplossing in een anion dat zich nog sterker aan Zn²⁺ bindt. Om precies te zijn TFSI, wat staat voor bis(trifluormethaansulfonyl)imide. Aan het water voeg je maar liefst 22 mol TFSI per kilogram toe, waarvan 20 mol als LiTFSI en 2 mol als Zn(TFSI)₂. Volgens Wang is het eerder water in zout dan omgekeerd.

Drie TFSI-ionen kunnen één Zn²⁺ helemaal omringen zodat er geen water meer in de buurt kan komen. Zelf bindt TFSI^- echter wel water, en wel zo enthousiast dat er geen deksel op de accu hoeft. Bovendien is het mengsel onbrandbaar.

Met LiMn₂O₄ als kathode wist Wang een accu te bouwen met een Coulombische efficiëntie die tegen de 100% aan zit. Hij leverde 180 Wh/kg en had na vierduizend laadcycli nog 80% van zijn capaciteit over.

bron: University of Maryland