Abstrak
Meskipun secara komersial digunakan sebagai sel primer, baterai seng semakin diminati sebagai sistem yang dapat diisi ulang karena biayanya yang rendah, keamanannya, dan keberlanjutan lingkungannya. Lebih jauh, media penghantar ion berbasis selulosa yang memanfaatkan konfigurasi padat, jeli, atau polimer sangat mendukung peningkatan sistem penyimpanan energi yang menarik ini. Di sini, tinjauan umum penelitian terkini tentang baterai Zn yang dapat diisi ulang, yang sering diindikasikan sebagai baterai ion Zn dilaporkan, yang memanfaatkan elektrolit menggunakan selulosa. Ditunjukkan bahwa elektrolit berbasis selulosa dapat memiliki konfigurasi padat, atau gel, hidrogel ikatan silang, berlapis, biopolimer, mikrofibrilasi, sejajar, amorf, atau rakitan sendiri. Dalam paragraf tersebut, terungkap bagaimana beberapa studi struktural, morfologi, dan elektrokimia telah mengklarifikasi karakteristik fundamental untuk memungkinkan pengoperasiannya dalam baterai. Di sisi lain, sistem penyimpanan energi berbasis Zn dibahas, terutama berfokus pada Zn–MnO 2 , Zn–V 2 O 5 , dan Zn–udara sebagai konfigurasi sel yang disukai dalam hal keandalan, kinerja elektrokimia, kapasitas yang disalurkan, dan stabilitas siklus. Terakhir namun tidak kalah pentingnya, tinjauan tersebut menyatakan bahwa biaya baterai ini kompetitif di pasar penyimpanan energi global, terutama dengan mempertimbangkan ketersediaan bahan baku. Oleh karena itu, karya tersebut menyoroti sistem yang sudah ketinggalan zaman ini, meskipun baru muncul, untuk meningkatkan minat terutama untuk penyimpanan stasioner dari sumber terbarukan yang terputus-putus.

1 Pendahuluan
Meningkatnya kebutuhan energi memicu difusi sumber-sumber alternatif seperti tenaga surya dan angin, dengan konsekuensi peningkatan permintaan penyimpanan energi skala besar untuk menstabilkan jaringan, sementara kesepakatan baru yang ramah lingkungan meramalkan difusi kendaraan listrik yang ditenagai oleh baterai dan sel bahan bakar. [ 1 – 3 ] Meskipun ada kemajuan dan janji baru-baru ini, [ 4 ] baterai lithium-ion (Li-ion) yang tersebar luas masih menghadapi beberapa masalah lingkungan termasuk keamanan, kemungkinan toksisitas, daur ulang, dan keberlanjutan ekonomi. [ 5 – 7 ] Tantangan-tantangan ini sebenarnya dapat dikurangi dengan mengembangkan teknologi baterai yang berbeda, misalnya, menggunakan senyawa dan bahan berbasis polisakarida sebagai pengikat elektroda, pemisah, dan elektrolit polimer gel/padat, dan elektrokimia yang berbeda di sisi elektroda, seperti baterai Zn sebagaimana dijelaskan di bawah ini. [ 8 ] Secara khusus, substrat berbasis polisakarida dapat diusulkan sebagai pengikat bebas fluor atau matriks polimer alternatif untuk polivinilidena fluorida (PVDF), yang biasanya digunakan dalam baterai Li. Selain itu, penggunaan logam berlimpah yang tidak beracun seperti Zn, Fe atau karbon dan oksida sebenarnya dapat menjadi langkah maju dalam mengurangi dampak logam beracun dan mahal seperti kobalt, yang penggunaannya masih tersebar luas dalam teknologi baterai Li. [ 5 – 7 ]

1.1 Lignoselulosa
Lignin dan selulosa, juga dikenal sebagai bahan lignoselulosa, berlimpah, terbarukan, ramah lingkungan, hemat biaya, dan memiliki karakteristik yang tepat untuk dikembangkan menjadi sistem penyimpanan energi elektrokimia yang efisien. Bahan lignoselulosa termasuk biopolimer berbasis polisakarida yang paling representatif yang tersedia, dan jumlahnya cukup banyak untuk memenuhi permintaan yang terus meningkat. Lebih jauh lagi, biopolimer lignoselulosa fleksibel secara mekanis, berlimpah, dan memiliki berbagai gugus fungsi, dan dapat dipertimbangkan untuk digunakan dalam konfigurasi elektroda, pemisah, pengikat, dan elektrolit yang disempurnakan dalam perangkat penyimpanan energi berkelanjutan, seperti superkapasitor dan baterai. [ 9 ] Oleh karena itu, biodegradabilitas alami, pembaruan, struktur berpori, stabilitas termal dan kimia yang baik, dan kimia permukaan lignoselulosa yang dapat disetel memicu penggunaan lignoselulosa yang difungsionalkan dalam bahan elektroda. Lebih jauh lagi, fleksibilitas bahan ini telah memungkinkan persiapan elektrolit padat atau gel dalam kombinasi dengan berbagai polimer, serta pengikat atau pemisah yang berkelanjutan. Biodegradabilitas dan pembaruan lignoselulosa terutama disebabkan oleh derivasinya dari biomassa (misalnya, kayu atau benih tanaman), yang secara berkala diregenerasi oleh siklus alami. Di sisi lain, porositas material ini didorong oleh karakter lignoselulosanya, yang secara alami diperlukan untuk meningkatkan penyerapan air oleh flora. Selain itu, lignoselulosa dapat digabungkan, disusun ulang, dibentuk gel, atau diubah menjadi membran melalui berbagai gugus fungsi, seperti ─OH, ─NH 2 , ─CO, dan ─COOH, yang secara alami dihubungkan atau dimasukkan secara artifisial ke dalam struktur seperti yang diilustrasikan dalam paragraf berikutnya. [ 10 ] Substrat yang menarik ini memperoleh minat yang semakin meningkat khususnya untuk aplikasi dalam baterai isi ulang berair, yang sejauh ini tampak memadai untuk biopolimer berbasis polisakarida karena tegangan kerja sedang. Di antara baterai ini, baterai seng isi ulang berair menunjukkan fitur yang menjanjikan karena keamanan logam yang tinggi, kelimpahannya, dan kompatibilitas lingkungan. [ 11 , 12 ]

1.2 Baterai Seng Isi Ulang
Logam seng memiliki reaktivitas yang dapat diabaikan jika dibandingkan dengan logam alkali seperti litium dan natrium, dengan bonus tambahan berupa biaya produksi yang terbatas. Logam ini memiliki kapasitas spesifik teoritis setinggi 820 mAh g −1 , dan potensial −0,763 V terhadap elektroda hidrogen standar (SHE), yang memungkinkan pengembangan elektrolit berair tanpa evolusi hidrogen yang relevan pada pH basa dengan tingkat keamanan yang optimal. [ 13 ] Oleh karena itu, baterai seng primer (yaitu, tumpukan) dalam media alkali telah dikomersialkan oleh ratusan ribu unit sebagai sistem untuk memberi daya pada berbagai perangkat elektronik yang umum digunakan. [ 14 ] Namun, pengaturan yang tidak dapat diisi ulang menghalangi penggunaan tumpukan seng alkali yang sebenarnya untuk penyimpanan energi siklik, misalnya, dari sumber terbarukan atau dalam kendaraan listrik, karena aplikasi ini memerlukan baterai yang dapat diisi ulang di mana sisi katode dan anoda dapat beroperasi secara reversibel. [ 15 ] Di antara katode yang diusulkan untuk cakupan ini, mangan oksida telah menunjukkan aktivitas yang paling menarik dan reversibel dalam media berair, dengan pembentukan mangan oksihidroksida atau oksida campuran. Reaksi elektrokimia ini telah ditunjukkan melibatkan perubahan fase dan pertukaran ion bersamaan, dalam jendela potensial yang membentang dari ≈0,8 hingga ≈1,8 V versus Zn 2+ /Zn. [ 16 ] Sebaliknya, di sisi anoda, logam Zn menghadirkan berbagai masalah yang dikaitkan dengan kemungkinan evolusi hidrogen dalam kondisi asam, dan kecenderungan luar biasa untuk pertumbuhan dendrit yang bergantung pada karakteristik antarmuka elektrolit padat (SEI) yang terbentuk di permukaannya. [ 14 ] Dalam skenario ini, membran padat menggunakan elektrolit hidrogel muncul sebagai alternatif yang masuk akal untuk mengatasi kehilangan elektrolit dan membatasi, pada saat yang sama, pertumbuhan dendrit di anoda seng setelah pengupasan/pelapisan berulang karena karakteristik elastisnya. [ 17 , 18 ] Lebih jauh, elektrolit gel telah ditunjukkan untuk mengkonsolidasikan antarmuka elektroda/elektrolit yang stabil dan tahan lama dan lapisan SEI yang kuat, bahkan ketika lingkungan asam digunakan dalam baterai ion-seng. [ 19 ] Terakhir namun tidak kalah pentingnya, biaya terbatas dari beberapa logam yang digunakan pada katode dan anoda, misalnya, Mn dan Zn, dibandingkan dengan logam yang digunakan dalam sel Li-ion seperti Co, Ni, dan Li sendiri, ditunjukkan oleh estimasi terbaru Gambar 1 (panel kiri), telah mempercepat penelitian untuk sistem penyimpanan energi terbarukan ini. Di sisi lain, baterai Zn-ion dan Na-ion memiliki biaya yang relatif rendah dan kandungan energi yang sama sekitar 100 Wh kg−1 , yang jauh berbeda dari baterai Li-ion yang melebihi 250 Wh kg −1 , seperti yang ditunjukkan oleh panel kanan Gambar 1 . Oleh karena itu, baterai Zn-ion lebih disukai untuk digunakan dalam penyimpanan energi stasioner daripada kendaraan listrik. [ 20 , 21 ]

1.3 Kombinasi Material yang Cocok
Berbagai penelitian melaporkan penggunaan polimer berbasis selulosa, [ 22 ] polimer termodifikasi, [ 23 ] substrat terdoping, [ 24 ] hidrogel, [ 25 ] separator, [ 26 ] biokomposit, [ 27 ] dan gel biopolimer, [ 28 ] untuk penyimpanan energi. Berbagai gugus fungsi yang disebutkan di atas, yang secara alami atau sintetis termasuk dalam membran ini, dapat memfasilitasi penyimpanan ion Zn 2+ di tulang punggung dan memungkinkan konduktivitas tinggi melalui interaksi elektrostatik karena karakter polarnya. Lebih jauh, interaksi kimia yang ringan dan menguntungkan dari substrat ini dengan logam Zn dapat memastikan resistansi antarmuka rendah yang biasanya berkontribusi pada penekanan dendrit, sehingga secara relevan meningkatkan siklus hidup sel ion Zn berdasarkan substrat selulosa fungsional. Dalam skenario ini, nanokristal selulosa (CNC) dengan fungsi permukaan, muatan, dan konsentrasi yang berbeda, telah disarankan sebagai komponen untuk aplikasi baterai. [ 29 ] Selain itu, elektrolit polimer padat berbasis metil-selulosa telah diusulkan dengan nanopartikel seng oksida yang terdispersi untuk meningkatkan penggunaan dalam sel. [ 30 ] Di antara membran, beberapa elektrolit hidrogel ikatan silang telah mencapai umur panjang terhadap anoda logam Zn dengan memanipulasi efek desolvasi dan orientasi pengendapan Zn. [ 31 ] Menariknya, pertumbuhan dendrit pada anoda logam Zn telah dikurangi dengan menggunakan lapisan selulosa-asetat yang mengintegrasikan gugus ester dengan seng. [ 32 ] Lebih jauh, elektrolit hidrogel ikatan silang ganda dan penyembuhan sendiri disarankan untuk baterai ion Zn yang dicirikan oleh pengendapan ion antarmuka yang ditingkatkan, [ 33 ] sementara gugus fungsi amidoksim mempromosikan elektrolit polimer gel (GPE) untuk sel logam Zn berair. [ 34 ] Biopolimer padat berdasarkan selulosa asetat (CA) telah mengungkapkan karakteristik termal, struktural, dan elektrokimia yang sesuai. [ 35 ] Sintesis komposit poli(vinil alkohol) (PVA)/selulosa yang diinduksi oleh uap etanol yang memadai, [ 36 ] dan perlakuan termoresponsif terhadap polimer karboksimetil selulosa (CMC) [ 37 ]telah menghasilkan polimer padat yang kuat untuk baterai Zn-ion. Menariknya, baterai Zn-ion berair telah diusulkan dengan elektrolit air-dalam-garam poli(etilen glikol)/selulosa/ZnCl2, [ 38 ] dan ionogel berkelanjutan yang fleksibel dengan polimer hiperbercabang ionik dilaporkan dengan konduksi ion yang ditingkatkan. [ 39 ] Baterai Zn-ion kuasi-padat juga telah memanfaatkan lapisan kuasigel (QG) multifungsi yang disiapkan di situ, [ 40 ] dan hidrogel berbasis selulosa alami yang sangat tipis. [ 41 ] Nikel(II) nitrat telah digunakan secara menarik sebagai aditif untuk mengendalikan nanoporositas CA, dengan perlakuan tekanan air untuk mencapai gel baterai yang sangat efisien, [ 42 ] sebagai gantinya nanofiber selulosa (CNF) yang mengalami fibrilasi kimia oksidasi TEMPO (TOCNF) menghasilkan hidrogel yang mampu mengoordinasikan ion Zn 2+ secara efisien , memungkinkan mobilitasnya dalam elektrolit yang diproyeksikan untuk baterai Zn-ion yang dapat diisi ulang. [ 43 ] Bahkan dalam kasus baterai Zn–udara yang dapat diisi ulang, komposit polimer gel dengan konfigurasi solid-state telah dipelajari sebagai media elektrolit yang lebih disukai. [ 44 ] Oleh karena itu, polimer gel fleksibel berdasarkan CMC yang dicampur dengan PVA atau poli(asam akrilik) (PAA) telah dikembangkan untuk sel Zn yang dapat diisi ulang yang beroperasi di atmosfer udara. [ 45 ] GPE komposit lain untuk pengaturan baterai yang sama, memanfaatkan kombinasi CMC dan PVA dengan sukses, [ 46 ] sementara elektrolit biodegradable dicapai untuk baterai Zn–udara yang fleksibel. [ 47 ] Menariknya, efek penghambat CO 2 dan baterai Zn–udara dimanfaatkan pada saat yang sama dengan CO 2 yang menghiasi elektrolit selulosa konduktif. [ 48 ] Di sisi lain, GPE komposit berdasarkan pita nano graphene oxide (GONR) dikembangkan untuk meningkatkan kekuatan mekanis dan konduktivitas ionik baterai Zn–udara yang fleksibel, [ 49 ] dan fleksibilitas baterai ini juga dimungkinkan oleh gel berbasis natrium poliakrilat (PANa) yang mengandung graphene oxide (GO) dan CNF. [ 50 ] Singkatnya, jalur sintetis ini, termasuk berbagai langkah dengan sifat yang berbeda dalam lingkungan berair, dengan keadaan gel, polimerisasi, atau pemadatan, telah mendorong pengembangan sistem isi ulang berbasis Zn generasi baru. Gambar 2menggambarkan pilihan jalur sintetis yang diadopsi dalam penelitian yang disebutkan di atas untuk mencapai elektrolit berbasis selulosa untuk penyimpanan energi. Memang, Gambar 2a menunjukkan berbagai langkah operasi untuk persiapan membran selulosa, serta gambar fotografis membran yang diperoleh sebelum merendam elektrolit, [ 41 ] sementara Gambar 2b mengungkapkan skema sintesis elektrolit hidrogel poliakrilamida (PAM)–poli(etilen glikol) diakrilat–CMC (PMC). [ 31 ] Interaksi gugus fungsi–ion dalam membran tentu memainkan peran penting dalam menstabilkan kinerja sel. Beberapa interaksi ini digambarkan secara skematis dalam Gambar 2c untuk jaringan ganda membran hidrogel CMC/PAM, [ 51 ] dan dalam Gambar 2d untuk elektrolit hidrogel TOCNF. [ 43 ] Di sisi lain, elektrolit berair yang tidak dioptimalkan dapat memungkinkan pertumbuhan dendrit pada permukaan Zn, dengan pembentukan dan penebalan lapisan pasif, evolusi H 2 , dan korosi selama proses pengendapan elektrokimia, seperti yang ditunjukkan oleh skema Gambar 2e . [ 32 ] Sebaliknya, perlindungan Zn yang sesuai, seperti dengan pelapisan dengan CA dan Zn(CF 3 SO 3 ) 2 (CAZ) yang dilaporkan dalam Gambar 2f , dapat memisahkan anoda Zn dan spesies berair dalam CAZ@Zn yang dicapai, menghambat pasivasi dan korosi, dan memicu difusi Zn 2+ yang cepat dan pengendapan elektrokimia yang homogen tanpa pertumbuhan dendrit atau evolusi H 2 . [ 32 ] Jalur sintetis yang diilustrasikan di atas, serta jalur-jalur dalam paragraf berikutnya sebenarnya dapat membuka jalan bagi pencapaian baterai isi ulang yang dicirikan pada saat yang sama oleh dampak ekonomi yang rendah dan keberlanjutan lingkungan yang relevan, sehingga memungkinkan difusi skala besar sebagai alternatif untuk sistem isi ulang yang paling luas. Bukti peningkatan yang dicapai melalui penggunaan membran berbasis selulosa untuk aplikasi baterai ditunjukkan pada Gambar 3 , yang melaporkan profil tegangan pelapisan/pelepasan Zn 2+ dalam sel simetris Zn/Zn menggunakan beberapa sampel elektrolit yang telah diilustrasikan pada Gambar 2 .

 

Memang, sel pada Gambar 3a diuji pada rapat arus 1 mA cm −2 pada kapasitas areal 1 mAh cm −2 (perbesaran pada Gambar 3b ) yang menunjukkan peningkatan tegangan substansial untuk membran serat kaca, berkisar dari 180 hingga 260 mV selama rentang 90 jam karena pengendapan Zn yang tidak merata dan pembentukan antarmuka elektrolit padat yang lebar, dan penurunan tegangan polarisasi mendadak ke nol setelah 120 jam karena dendrit seng menembus membran serat kaca, yang mengakibatkan kontak listrik langsung antara kedua elektroda dengan hubungan pendek. Sebaliknya, sel yang menggunakan membran selulosa menunjukkan polarisasi yang jauh lebih kecil dan relatif stabil (30 mV pada 1500 jam) tanpa fluktuasi signifikan karena kompatibilitas antarmuka yang ditingkatkan antara elektroda dan elektrolit. Sedikit peningkatan polarisasi dari 1500 hingga 1800 jam telah dikaitkan dengan penguapan elektrolit, di dalam sel. [ 41 ] Lebih jauh, sel dengan elektrolit hidrogel PMC pada Gambar 3c mengungkapkan stabilitas siklus yang diperpanjang selama 5000 jam pada kerapatan arus 1,0 mA cm −2 dan kerapatan kapasitas 1,0 mAh cm −2 . Sebaliknya, sel dengan elektrolit berair referensi ZnSO4 menunjukkan peningkatan polarisasi sekitar 150 jam, dan hubung singkat sekitar 160 jam, karena alasan yang sama yang diilustrasikan di atas. [ 31 ] Gambar 3d menggambarkan sel simetris pada 0,2 mA cm −2 dengan elektrolit hidrogel PAM tren stabil hanya sampai 200 jam dan penurunan berikutnya, sementara sel dengan elektrolit hidrogel CMC/PAM beroperasi tanpa hubung singkat atau kenaikan potensial berlebih yang jelas lebih dari 400 jam, sehingga menunjukkan stabilitas antarmuka yang ditingkatkan secara signifikan antara elektrolit hidrogel CMC/PAM dan Zn. [ 51 ] Di sisi lain, sel pada Gambar 3e yang menggunakan elektrolit hidrogel TOCNF menunjukkan peningkatan overpotensial secara bertahap hingga 53 mV selama 50 jam awal, dan penurunan berikutnya hingga 48 mV dan stabilisasi ke nilai antara 48 dan 54 mV yang dipertahankan selama seluruh pengujian melebihi 1500 jam. Perilaku ini menunjukkan pertumbuhan SEI pasif yang sesuai selama tahap awal, stabilisasi berikutnya, dan pembubaran parsial dengan penurunan resistansi antarmuka elektroda/elektrolit. [ 43 ] Menariknya, sel simetris CAZ@Zn/CAZ@Zn diputar pada arus konstan 1 mA cm −2 dengan kapasitas 1 mAh cm −2 pada Gambar 3f , dan pada berbagai laju arus pada Gambar 3g . [ 32] Setelah 30 jam pada 1 mA cm −2 (Gambar 3f ), potensial sel Zn/Zn telanjang tiba-tiba turun karena “short short lunak.”

Soft short di atas terdiri dari kontak listrik lokal kecil antara dua elektroda Zn, karena pertumbuhan dendrit ke arah elektroda yang berlawanan setelah menembus pemisah serat kaca dan pelarutannya berikutnya, yang memungkinkan proses pengisian/pengosongan berlangsung meskipun kurang stabil. Peningkatan potensial yang lambat disebabkan oleh peningkatan bertahap dalam resistansi internal, yang disebabkan oleh pertumbuhan dendritik yang disebabkan oleh pengendapan seng yang tidak sama, dan setelah 420 jam operasi, baterai Zn/Zn simetris gagal. Sebaliknya, baterai CAZ@Zn/CAZ@Zn simetris beroperasi dengan baik selama lebih dari 2800 jam dengan overpotensial rendah karena pengendapan Zn yang homogen dengan resistansi antarmuka yang rendah dan tanpa dendrit. Perbandingan kinerja laju sel simetris menggunakan CAZ@Zn atau Zn polos (Gambar 3g ) mengungkapkan soft short dan histeresis tegangan yang lebih tinggi untuk yang pertama daripada yang terakhir, terutama pada kerapatan arus tinggi, yang menunjukkan stabilitas anoda CAZ@Zn yang menguntungkan. [ 32 ] Secara keseluruhan, Gambar 3 menunjukkan adanya peningkatan yang signifikan pada stabilitas siklus sisi anoda yang didorong oleh penggunaan membran berbasis selulosa, khususnya pada membran yang kandungan airnya terbatas dan stabilitas mekanisnya ditingkatkan.

1.4 Subbagian dari Ulasan Ini
Setelah paragraf sebelumnya yang menjelaskan berbagai jalur untuk persiapan membran berbasis selulosa, aplikasi baterai, dan kemungkinan kombinasi, paragraf berikutnya akan menunjukkan contoh terpilih dari sel Zn yang dapat diisi ulang yang telah dikategorikan demi kemudahan dalam tinjauan ini menjadi tiga kelas utama, yaitu, i) baterai seng-mangan oksida, ii) baterai seng-vanadium oksida, dan iii) baterai seng-udara. Meskipun kategorisasi yang berbeda dapat dibuat, pilihan ini bagi kami merupakan pilihan yang paling mudah karena pada saat yang sama memperhitungkan skalabilitas proses, keadaan terkini sel Zn yang dapat diisi ulang, dan kinerja terbaiknya dalam literatur. Perbandingan ini dilaporkan dengan tujuan untuk mencapai tolok ukur yang valid dalam hal kepadatan energi dan siklus hidup untuk mempertimbangkan kemungkinan aplikasi praktis baterai Zn untuk penyimpanan energi berkelanjutan. Di sisi lain, ketersediaan material, biaya yang diharapkan sederhana, dan fitur sel yang sesuai dapat memicu penelitian dan pengembangan lebih lanjut dari sistem yang menarik ini untuk memungkinkan penggunaan akhirnya bagi sektor-sektor tertentu, seperti penyimpanan energi dari sumber energi terbarukan yang terputus-putus. Demi kenyamanan pembaca, kami merangkum semua akronim, yang ditentukan saat pertama kali muncul dalam teks, juga dalam Tabel 1 .

Tabel 1. Ringkasan akronim yang dilaporkan dalam tinjauan ini dan versi lengkapnya.

2 Baterai Isi Ulang Zinc-Mangan Oksida
Baterai seng-mangan oksida adalah salah satu sistem isi ulang yang paling menjanjikan di antara berbagai yang diusulkan, dan elektrokimianya telah dipelajari dengan baik sejak diperkenalkannya sistem primer (misalnya, baterai alkali seng-karbon), hingga pengembangan versi sel yang dapat dibalik dengan mengadopsi pengaturan katode dan media elektrolit yang sesuai. Mangan oksida (terutama MnO 2 ) bereaksi dalam baterai ion Zn dengan mekanisme yang bergantung pada kondisi elektrolit, secara umum mengarah ke tanda tegangan yang membentang dari sekitar 1 hingga 1,6 V versus Zn 2+ / Zn, dan kapasitas spesifik teoritis sebesar 308 mAh g −1 sebagaimana dirujuk pada berat MnO 2 . Oleh karena itu, dalam kondisi netral, Zn 2+ larut dari anoda dalam pelepasan yang berpotensi membentuk Zn(OH) 2 yang mungkin dapat mengendap sebagian di permukaan.

Ion Zn 2+ juga dapat masuk ke dalam terowongan katoda MnO 2 sesuai dengan reaksi [ 52 ]

Oleh karena itu, struktur terowongan MnO2 ( fase tipe hollandit) berubah menjadi fase mangan trivalen seperti spinel (ZnMn2O4 ) , kemudian menjadi fase mangan divalen berlapis (Zn x MnO2 , x < 0,5 ) , dan akhirnya menjadi fase mangan divalen terowongan (Zn x MnO2 , 1 > x > 0,5) selama pelepasan. [ 53 ] Tiga ion Mn hidup berdampingan setelah pelepasan, dan interkonversi Mn4 + , Mn3 + , dan Mn2 + memungkinkan konversi energi. [ 54 ] Sebaliknya, dalam elektrolit alkali Zn(OH) 2 terbentuk secara pasti di anoda, dan reaksi konversi dapat terjadi di katoda menurut mekanisme yang melibatkan ion OH− sebagai berikut [ 55 ]

Pada kasus terakhir, ion OH − juga dapat membentuk kompleks [Zn(OH) 4 ] 2− di permukaan elektroda dan membatasi reversibilitas reaksi jangka panjang, sehingga menunjukkan perubahan elektrolit ke kondisi sedikit asam untuk meningkatkan umur sel. [ 56 ]

Di sisi lain, dalam kondisi asam reaksi di sisi katoda adalah

yang mungkin diikuti oleh proses

Meningkatkan konsentrasi H + dapat meningkatkan pelepasan MnO 2 , namun hal itu juga dapat menyebabkan reaksi parasit pada anoda Zn, seperti korosi logam Zn dalam pelepasan atau produksi gas H 2 selama pengisian. [ 53 ] Oleh karena itu, media elektrolit harus disetel ad hoc untuk memungkinkan pelepasan/pengendapan Zn reversibel pada sisi anoda dan, pada saat yang sama, menjamin reaksi reversibel pada sisi katoda MnO 2. Elektrolit berbasis lignoselulosa, yang biasanya difungsikan dengan gugus yang sesuai, seperti karboksil, hidroksil, amina, atau eter, sebenarnya memungkinkan pengembangan baterai isi ulang Zn–MnO 2 yang efisien . Dalam hal ini, sebuah karya literatur melaporkan pembangunan in situ lapisan QG multifungsi untuk melindungi anoda seng dan memungkinkan baterai Zn berair beroperasi untuk siklus panjang. [ 40 ] Para penulis memecahkan masalah dendrit, korosi, dan evolusi H 2 dengan menyiapkan lapisan hidrofilik in situ, yang terdiri dari polimer organik kovalen (COP) dan CMC, untuk membangun antarmuka QG multifungsi antara logam Zn dan elektrolit. Antarmuka COP─CMC/QG ini secara signifikan meningkatkan kemampuan isi ulang anoda Zn melalui peningkatan kinetika transpor Zn 2+ , dan memandu nukleasi yang seragam. Gambar 4a melaporkan diagram skema pembentukan COP─CMC/QG dan pelapisan Zn pada Zn polos dan COP─CMC─Zn. Anoda COP─CMC─Zn menunjukkan kelebihan potensial sebesar 12 mV pada 0,25 mA cm −2 , dengan siklus hidup lebih dari 4000 jam pada arus yang sama dan 2000 jam pada 5 mA cm −2 dalam sel simetris. Gambar 4b menggambarkan profil tegangan sel penuh Zn/MnO2 dengan Zn polos dan Zn berlapis pada kerapatan arus 0,3C (1C = 308 mA g −1 , berdasarkan MnO2 ) , sementara Gambar 4c menunjukkan kinerja siklus terkait pada arus 5C. Sel yang menggunakan Zn berlapis beroperasi dengan tegangan kerja rata-rata 1,4 V dan kapasitas sekitar 150 mAh g −1 untuk 1000 siklus, sementara sel yang menggunakan Zn polos menunjukkan peluruhan substabil selama tahap siklus yang sama. [ 40 ] Pekerjaan lain menghambat pertumbuhan dendrit pada anoda seng dengan menggunakan gugus fungsi amidoksim dalam GPE. [ 34 ] Sebuah membran telah disiapkan dengan memasukkan polimer mikroporositas intrinsik (PIM) yang mengalami amidoksimasi (AO-PIM-1) dengan selulosa bakteri (BC), untuk mencapai GPE AO-PIM-1/BC. Pada GPE ini, C═N pada gugus fungsi amidoksim mengkoordinasikan Zn 2+untuk mempromosikan transportasi ion, serta pengendapan Zn yang seragam. Selain itu, gugus hidrofilik ─NH2 dan ─OH mengurangi energi yang dibutuhkan untuk desolvasi Zn2 + terhidrasi . Simulasi dinamika molekul digunakan untuk mengevaluasi interaksi gugus hidroksil, amina, dan C═N dengan Zn2 + . Dalam elektrolit kosong, Zn2 + dikelilingi secara rapat oleh enam molekul H2O yang membentuk [Zn( H2O ) 6 ] 2+ oktahedral , yang ukurannya yang besar menghambat desolvasi. Sebaliknya, gugus fungsi hidrofilik ─NH2 dan ─OH dalam kerangka AO-PIM-1 mengubah struktur hidrasi dan mengurangi energi yang dibutuhkan untuk pelarutan. Oleh karena itu, ikatan C═N menjadi tempat transportasi untuk Zn2 + , dan energi desolvasi yang dihasilkan lebih rendah dalam AO-PIM-1 daripada PIM-1. Selain itu, gugus fungsi amidoksim mengadsorpsi anion triflat (OTF − ), yang selanjutnya mendorong pemindahan Zn 2+ . Model menunjukkan jumlah koordinasi rata-rata molekul H 2 O di sekitar Zn 2+ sebesar 3,08 dalam kerangka AO-PIM-1, daripada 3,86 dalam struktur PIM-1. Penurunan jumlah koordinasi air ini menunjukkan pengurangan energi desolvasi. Akibatnya, pengendapan Zn dianggap lebih seragam dalam AO-PIM-1 daripada dalam PIM-1. Temuan ini mengonfirmasi bahwa keberadaan gugus C═N dalam AO-PIM-1 dapat menyediakan tempat transpor untuk pengikatan Zn 2+ , sehingga mengurangi jumlah koordinasi hidrasi Zn 2+ , dan mendorong pengendapan anoda Zn yang seragam. Dengan demikian, skema Gambar 4d menggambarkan regulasi mekanisme anoda Zn oleh PIM. Oleh karena itu, sel simetris Zn/Zn dengan GPE AO-PIM-1/BC menunjukkan siklus hidup yang diperpanjang hingga 1100 jam. Baterai Zn/α-MnO 2 yang disiapkan menggunakan GPE mempertahankan 85% dari kapasitas awalnya sebesar 120 mAh g −1 setelah 400 siklus pada 0,5C (Gambar 4e ). [ 34 ] Elektrolit hidrogel TOCNF juga telah ditetapkan sebagai pendekatan sederhana untuk baterai ion Zn yang dapat diisi ulang (lihat skema pada Gambar 2d untuk interaksi ion–gel terkait). [ 43 ] Hidrogel yang menggunakan Zn perklorat dan sulfat, adalah padatan seperti yang tidak dapat mengalir dengan perilaku penipisan geser yang kuat. Baterai ion–gel Zn dengan katode β-MnO 2 menunjukkan potensi kerja sebesar 1,4 V versus Zn +2 /Zn dengan voltametri siklik (CV) pada Gambar 4f, suatu proses aktivasi setelah siklus pertama yang mengarah pada penurunan resistansi yang dibuktikan oleh spektroskopi impedansi elektrokimia (EIS, Gambar 4g ), dan memberikan kapasitas lebih dari 120 mA hg −1 yang memungkinkan penyimpanan energi yang aman, dengan siklus hidup yang ditingkatkan dengan mengubah garam dari Zn(ClO 4 ) 2 menjadi ZnSO 4 (lihat uji siklus pada Gambar 4h ). [ 43 ]

Di sisi lain, elektrolit gel yang cukup kuat telah dikembangkan dengan metode yang diinduksi uap etanol untuk baterai ion Zn yang fleksibel. [ 36 ] Proses ini, yang digambarkan dalam Gambar 5a , telah meramalkan penggunaan sistem molekuler selulosa/pelarut eutektik dalam (DES), dan diindikasikan untuk mempercepat ikatan hidrogen dan kompleksasi ion dengan Zn 2+ , menghasilkan kekuatan mekanis sebesar 0,88 MPa (lihat gambar fotografi), jumlah transferensi kation sebesar 0,7, dan konduktivitas ionik sebesar 8,39 mS cm −1 . Gambar 5b menunjukkan kurva pengisian-pengosongan pada sudut tekuk yang berbeda dari baterai Zn–gel/kain karbon@MnO 2 , yang mengungkapkan fleksibilitasnya yang penting. Baterai ini telah didaur ulang dengan tegangan rata-rata 1,3 V, kapasitas reversibel sekitar 200 mAh g −1 selama 500 siklus (Gambar 5c ), dan kemampuan laju yang meluas dari 0,5 hingga 10 C dengan kapasitas residual 75 mAh g −1 pada laju C yang lebih tinggi (Gambar 5d ). [ 36 ] Dengan tujuan untuk lebih meningkatkan pengendapan ion antarmuka pada baterai Zn, dan pada saat yang sama fitur mekanis, elektrolit hidrogel ikatan silang ganda telah disiapkan (skema pada Gambar 5e ). [ 33 ] Elektrolit hidrogel penyembuhan sendiri ikatan silang, termasuk natrium CMC, natrium alginat (SA), dan Zn 2+ (CMC/SA─Zn 2+ ), telah diproyeksikan untuk baterai Zn–MnO 2 fleksibel yang dapat memulihkan kinerja elektrokimia bahkan setelah beberapa kerusakan untuk digunakan dalam perangkat elektronik yang dapat dikenakan. Interaksi koordinasi logam dari gugus karboksil dengan Zn 2+ , yang digambarkan dalam skema, berkontribusi pada sifat mekanik dan elektrokimia hidrogel CMC/SA─Zn 2+ , dan meningkatkan kompatibilitas dengan elektroda, sehingga menghasilkan pengendapan Zn yang efisien. Kinerja pelapisan/pelepasan reversibel telah diamati dalam sel simetris selama 2000 jam, dan baterai Zn–MnO 2 fleksibel telah dicapai yang beroperasi dari 1,2 hingga 1,4 V (voltametri pada Gambar 5f ), dan kapasitas yang diberikan berkisar dari sekitar 220 hingga 50 mAh g −1 tergantung pada arus yang digunakan (Gambar 5g,h ). [ 33 ] Akhirnya, hidrogel yang dimodifikasi telah dirancang sebagai elektrolit untuk menginduksi pengendapan seng tanpa pembentukan dendrit pada anoda logam. [ 51 ]Dalam penelitian di atas, hidrogel CMC/PAM telah disiapkan dengan memperkenalkan struktur jaringan ganda untuk meningkatkan sifat mekanis elektrolit. Interaksi elektrostatik antara gugus karboksil dan Zn 2+ menyebabkan pengendapan ion seng pada permukaan elektroda, yang menghasilkan reversibilitas dan stabilitas yang luar biasa (lihat Gambar 2c dan Gambar 3d ).

Elektrolit hidrogel CMC/SA─Zn 2+ telah digunakan dalam baterai Zn–MnO 2 fleksibel yang beroperasi dari 1 hingga 1,4 V, dengan kapasitas berkisar antara 250 hingga 70 mAh g −1 tergantung pada laju arus, dan siklus jarak jauh dengan kapasitas 150 mAh g −1 dipertahankan lebih dari 90% selama 500 siklus pada 0,3 mA cm −2 . [ 51 ]

Singkatnya, contoh yang dilaporkan di atas menunjukkan dengan baik bahwa kombinasi antara elektrolit polimer berdasarkan selulosa, Zn yang ditingkatkan, dan elektroda MnO2 benar -benar dapat memungkinkan sistem penyimpanan energi reversibel dengan umur panjang dan kinerja yang relevan.

3 Baterai Isi Ulang Zinc-Vanadium Oxide
Struktur vanadium oksida telah ditetapkan sebagai sangat adaptif terhadap akomodasi berbagai kation, termasuk Zn 2+ , karena deformabilitas polihedra V─O dan valensi vanadium yang bervariasi. [ 57 ] Oleh karena itu, berbagai vanadat dengan struktur M─V─O yang berbeda (di mana M dapat berupa ion logam atau NH 4+ ) telah diusulkan sebagai bahan katode. [ 58 ] Di antara mereka, V 2 O 5 atau MV x O y telah banyak digunakan dalam sistem penyimpanan litium dan natrium. Mengenai interkalasi ion Zn 2+ dalam V 2 O 5 , salah satu perwakilan khas yang diusulkan adalah Zn 0,25 V 2 O 5 ⋅ n H 2 O. [ 59 ] Berbagai makalah penelitian telah menunjukkan bahwa penambahan kation dapat memberikan sifat elektrokimia yang sangat baik pada vanadat, dan juga meningkatkan kinetika interkalasi ion. [ 60 ] Oleh karena itu, pengenalan ion logam sejauh ini telah menghasilkan vanadat dengan struktur kristal dan karakteristik elektrokimia yang berbeda. Biasanya, reaksi V 2 O 5 dalam baterai Zn meramalkan penyisipan Zn 2+ ke dalam struktur vanadat, dalam rentang potensial yang luas yang membentang dari 0,3 hingga 1,6 V versus Zn 2+ / Zn

Reaksi ini juga mencakup munculnya fase terhidrasi baru, yang disebabkan oleh peningkatan energi pengikatan antara Zn 2+ yang tertanam ke dalam lapisan V 2 O 5 dan H 2 O. [ 61 ] Bergantung pada elektrolitnya, reaksi elektrokimia juga dapat mengikuti mekanisme

Pembentukan fase terhidrasi baru juga dapat terjadi selama reaksi ini. [ 62 ] Oleh karena itu, pemilihan elektrolit dengan gugus fungsi yang memadai, seperti yang menjadi ciri khas turunan lignoselulosa, gel, membran, dan polimer, dapat memainkan peran penting dalam memungkinkan proses elektrokimia yang reversibel dan efisien di katode, dan untuk memastikan pada saat yang sama pengendapan logam yang efisien dan halus di anoda Zn. Dalam hal ini, pelapisan selulosa-asetat telah dilakukan dengan mengintegrasikan gugus ester ke garam Zn untuk membatasi pembentukan dendrit pada anoda logam Zn. [ 32 ] Oleh karena itu, pelapisan CAZ afiliasi ion telah dibuat pada anoda Zn (CAZ@Zn) untuk memanfaatkan efek kompleksasi antara gugus ester polar dan Zn 2+ (lihat Gambar 2f ). Lapisan polimer CAZ meningkatkan sifat hidrofilisitas anoda Zn dan mengurangi resistansi antarmuka, sehingga memungkinkan difusi Zn 2+ yang cepat untuk mendapatkan pengendapan Zn yang homogen dan menekan pembentukan dendrit. Sel CAZ@Zn/CAZ@Zn simetris menunjukkan pelapisan/pelepasan reversibel selama 2800 jam pada 1 mA cm −2 , seperti yang telah ditunjukkan pada Gambar 3f , sementara baterai CAZ@Zn dengan katode NH 4 V 4 O 10 mencapai kinerja yang lebih stabil daripada Zn murni. CV menunjukkan rentang potensial kerja yang luas, dengan puncak yang membentang dari 1,3 hingga 0,4 V versus Zn + /Zn ( Gambar 6 a ), tercermin dalam kurva kapasitas spesifik versus tegangan pada berbagai kerapatan arus pada Gambar 6b,c , dengan polarisasi sel yang serupa menggunakan CAZ@Zn dan Zn polos, dan tegangan kerja rata-rata 0,8 V. Di sisi lain, kinerja laju (Gambar 6d ) membuktikan respons sel yang lebih baik menggunakan CAZ@Zn, dan kapasitas yang disalurkan berkisar antara 400 mAh g −1 pada 0,1 A g −1 , dan 60 mAh g −1 pada 5 A g −1 . Selain itu, kinerja siklus sel pada 1 A g −1 (Gambar 6e ) menunjukkan perbedaan paling relevan antara CAZ@Zn dan Zn murni, dengan kapasitas 170 mAh g −1 dipertahankan selama 2000 siklus untuk yang pertama dan peluruhan yang jauh lebih cepat untuk yang terakhir. [ 32 ] Membran hidrogel berbasis selulosa alami telah dibuat dengan struktur datar sangat tipis menggunakan potongan kertas sebagai bahan baku dalam sistem pelarutan N,N-dimetil asetamida (DMAc)/LiCl (lihat proses persiapan pada Gambar 2a ). [ 41 ]Membran selulosa telah menunjukkan kemampuan penyerapan cairan yang tinggi dan sifat mekanik yang baik, konduktivitas ion sebesar 0,643 mS cm −1 , stabilitas elektrokimia lebih dari 1,6 V, dan energi aktivasi untuk konduksi Zn 2+ sebesar 3,2 kJ mol −1 . Sel simetris Zn/Zn yang dirangkai dengan hidrogel selulosa menunjukkan pelepasan/pelapisan Zn 2+ reversibel yang diperpanjang lebih dari 1800 jam pada 1 mA cm −2 , seperti yang telah dilaporkan dalam Gambar 3a , sementara profil kronoamperometri dari sel yang sama pada suhu ruangan (Gambar 6f ) menunjukkan transfer ion Zn +2 – yang cepat , dengan mekanisme yang didukung oleh gugus fungsi ─OH dari membran, seperti yang dijelaskan dalam Gambar 6g . Kinerja siklik sel Zn/membran selulosa/V 2 O 5 pada 0,1 A g −1 (Gambar 6h ) mengungkapkan kapasitas dari 400 hingga 250 mAh g −1 selama 200 siklus pada tegangan rata-rata 0,8 V (sisipan), melebihi kinerja sel polos Zn/membran serat kaca/V 2 O 5 yang menghasilkan 300 hingga 150 mAh g −1 selama kurang dari 150 siklus. Lebih jauh lagi, kinerja laju sel Zn/membran selulosa/V 2 O 5 melebihi laju sel Zn/membran serat kaca/V 2 O 5 hingga arus 2 A g −1 (Gambar 6i ), dengan kapasitas dari 400 mAh g −1 pada 0,1 A g −1 hingga 250 mAh g −1 pada 2 A g −1 . [ 41 ] Beberapa elektrolit hidrogel ikatan silang telah dimanfaatkan untuk memanipulasi efek desolvasi dan orientasi pengendapan Zn, dan digunakan dalam baterai Zn yang beroperasi dengan katode V 2 O 5 . [ 31 ] Hidrogel didasarkan pada PMC yang telah dijelaskan (lihat Gambar 2b ), dan dirancang untuk mengurangi penghalang energi desolvasi Zn dan mengarahkan pengendapannya. Energi aktivasi desolvasi seng dalam elektrolit hidrogel PMC secara teoritis dan eksperimental disimpulkan jauh lebih rendah daripada elektrolit berair konvensional, karena struktur solvasi Zn 2+ yang disetel . Berdasarkan energi pengikatan tinggi antara gugus amida dan Zn 2+ , rantai polimer dalam PMC bertindak sebagai Zn 2+saluran transportasi ke perilaku pengendapan seragam pada permukaan kristal Zn(002), yang telah diverifikasi dengan analisis XRD insiden grazing. Oleh karena itu, pelepasan/pengendapan Zn dilakukan dalam elektrolit hidrogel PMC selama 5000 jam dengan efisiensi Coulombik sebesar 99,5%, seperti yang telah dibuktikan dalam Gambar 3c . Gambar 6j–l menunjukkan aplikasi elektrolit hidrogel PMC pada sel ion Zn menggunakan katode V2O5 . Kinerja siklus (Gambar 6j ) dan profil tegangan terkait (Gambar 6k ) pada kerapatan arus 1,0 A g −1 , menunjukkan bahwa sel dapat menghasilkan kapasitas mulai dari 400 hingga 250 mAh g −1 selama 200 kali pengisian/pengosongan daya, dengan tegangan kerja rata-rata 0,9 V dan kinerja yang melebihi elektrolit berair referensi. Selain itu, uji kemampuan laju baterai (Gambar 6l ) menunjukkan kapasitas yang lebih tinggi dibandingkan larutan referensi dari arus 0,1 A g −1 (yaitu, 400 bukannya 300 mAh g −1 ) hingga 2 A g −1 (250 bukannya 190 mAh g −1 ). [ 31 ]

Oleh karena itu, berdasarkan contoh-contoh ini, kita dapat menunjukkan bahwa baterai Zn-ion yang menggunakan katoda tipe V 2 O 5 dan pengaturan elektrolit yang memadai sebenarnya dapat mewakili pilihan yang valid untuk penyimpanan energi, namun dengan kemiringan tegangan yang memerlukan penyetelan yang tepat dari pengaturan elektronik dan sistem manajemen baterai untuk memungkinkan penggunaan yang tepat pada perangkat yang dipilih.

4 Baterai Isi Ulang Zinc-Air
Baterai Zn–udara memicu peningkatan minat karena keberlanjutan ekologi dan potensi kandungan energinya yang tinggi. Namun, baterai yang menarik ini terhambat oleh beberapa masalah seperti kinetika katode udara yang lambat, reaksi ireversibel pada anoda seng, dan saturasi atau kebocoran elektrolit. [ 63 ] Artikel terbaru menjelaskan beberapa detail mengenai konfigurasi geometris dan mekanisme penyimpanan muatan dalam baterai Zn–udara, dan melaporkan wawasan untuk meningkatkan berbagai komponen penyusun sel ini. [ 64 – 66 ] Oleh karena itu, penelitian akademis tentang baterai Zn–udara yang dapat diisi ulang saat ini berkembang dengan kecepatan yang cukup besar seperti yang ditunjukkan oleh meningkatnya jumlah makalah penelitian. [ 67 ] Proses elektrokimia dalam baterai Zn–udara yang dapat diisi ulang telah dijelaskan sebagai reaksi reduksi oksigen (ORR) dan reaksi evolusi oksigen (OER), dan berbagai penelitian telah menunjukkan bahwa hal itu dapat berlangsung secara reversibel, jika diizinkan oleh formulasi elektrolit dan pengaturan sel, seperti di bawah ini [ 68 ]

Oleh karena itu, dengan memperhitungkan potensi anoda dan katoda dalam kondisi ini, tegangan kerja teoritis baterai Zn–udara yang terkait dengan keseluruhan proses redoks dihitung sebesar 1,65 V.

Namun, sifat elektrolit dapat memicu berbagai reaksi parasit yang mengarah pada pembentukan serangkaian produk sampingan, gas H 2 , atau endapan khususnya di hadapan CO 2 , seperti yang dilaporkan di bawah ini [ 68 ]

Pembentukan bahan kimia yang tidak diinginkan ini, serta kinetika ORR/OER yang terhambat yang dapat meramalkan pembentukan zat antara atau bahkan mekanisme reaksi yang berbeda, telah menurunkan tegangan pelepasan sel di bawah 1,2 V, dan meningkatkan tegangan pengisian lebih dari 2 V dalam sistem praktis pada kerapatan arus berkisar dari 1 hingga 10 mA cm −2 . Polarisasi yang sangat besar ini dan masalah yang disebutkan di atas sejauh ini membatasi efisiensi energi baterai Zn–udara yang dapat diisi ulang ke nilai di bawah 60%. [ 69 ] Oleh karena itu, pilihan yang tepat dari elektrolit yang dirancang dan difungsionalkan secara ad hoc tampak penting untuk lebih mendorong pengembangan sistem penyimpanan energi yang penting ini. Gel dan polimer berbasis lignoselulosa tentu saja berkontribusi pada pertumbuhan baterai Zn–udara, karena fleksibilitas turunannya dan ruang yang besar untuk fungsionalisasi dan desain, serta konduktivitasnya yang tinggi, penyerapan air, dan aktivitas elektrokimia yang dapat disetel baik di sisi katode oksigen maupun di sisi anoda logam Zn. Misalnya, baterai Zn–udara fleksibel telah menggunakan elektrolit gel berbasis PANa dengan GO dan CNF. [ 50 ] Penggabungan GO kaku dan CNF ke dalam jaringan GPE yang terikat PANa secara signifikan meningkatkan konduktivitas serta sifat mekanis. Oleh karena itu, konduktivitas telah diukur menjadi 178,6 mS cm −1 , dan elektrolit tersebut mengungkapkan kemampuan pemanjangan lebih dari 14 kali dari panjang awalnya, sehingga menunjukkan fleksibilitas yang luar biasa. Baterai Zn–udara fleksibel berstruktur sandwich yang menggunakan elektrolit gel ini menunjukkan siklus hidup yang diperpanjang lebih dari 214 jam pada 2 mA cm −2 , dan beroperasi bahkan di bawah pembengkokan. [ 50 ] GPE berbasis GO lainnya mengungkapkan kekuatan mekanis dan konduktivitas ionik yang ditingkatkan, dan oleh karena itu membran telah digunakan dalam baterai Zn–udara fleksibel dengan kinerja siklus yang diperpanjang. [ 49 ] Elektrolit gel melibatkan PANa yang menggabungkan GONR dan CNF. Ikatan hidrogen dalam elektrolit PANa/CNF/GONR ini menciptakan saluran konduktif ionik, yang meningkatkan konduktivitas ionik dan kinerja baterai. Elektrolit tersebut menunjukkan retensi air yang relevan, kemampuan meregang hingga 20 kali panjangnya, dan konduktivitas ion sebesar 268 mS cm −1 . Gambar 7a menunjukkan skema sintesis PANa/CNF/GONR, sedangkan Gambar 7b–e mengungkap kinerja baterai Zn-air yang dapat diisi ulang dengan gel ini dan baterai referensi berdasarkan PAN/CNF dan PAN/CNF/GO. Secara umum, baterai yang menggunakan elektrolit PANa/CNF/GONR menunjukkan kinerja yang lebih tinggi dibandingkan dengan baterai referensi, dengan kapasitas untuk pengosongan daya lengkap hingga 0 V pada 2 mA cm −2 sebesar 560 mAh g−1 sebagaimana dirujuk pada berat Zn (Gambar 7b ), yang dihantarkan terutama pada sekitar 1,25 V, dan kerapatan daya 90 mW cm −2 (dari kurva pada Gambar 7c ). Lebih jauh, sel yang menggunakan elektrolit PANa/CNF/GONR mengalami siklus galvanostatik pada 2 mA cm −2 dengan membatasi waktu pengosongan atau pengisian hingga 10 menit yang dioperasikan selama lebih dari 320 jam (yaitu, 960 siklus pada Gambar 7d ), dan menunjukkan respons yang lebih baik pada kerapatan arus yang lebih tinggi daripada referensi (Gambar 7e ). Dalam studi yang sama, baterai Zn–udara solid-state tipe kabel mencapai kerapatan energi 88 mW cm −2 dengan fleksibilitas tinggi, yang menunjukkan potensi untuk aplikasi energi yang dapat dikenakan. [ 49 ] Elektrolit polimer gel lebih lanjut telah diusulkan untuk baterai Zn–udara solid-state yang dapat diisi ulang. [ 44 ] Elektrolit disintesis dengan cara mengikat silang PAA dan selulosa ultrahalus dengan PVA untuk memperoleh gel komposit (PVAA─selulosa). Jaringan berpori yang luas dan ikatan hidrogen dari PVAA─selulosa telah menghasilkan retensi air yang optimal, dan stabilitas termal, dengan konduktivitas ionik sebesar 123 mS cm −1 , semua nilai lebih tinggi jika dibandingkan dengan PVAA (yaitu, campuran PVA dan PAA). Kinerja siklus elektrolit PVAA─selulosa menunjukkan penghambatan pertumbuhan dendrit dan pembentukan produk sampingan oksidasi, yang berkontribusi pada stabilitas siklus baterai Zn–udara. Gambar 7f menunjukkan skema prosedur sintesis elektrolit keadaan padat (SSE) PVAA─selulosa. Kurva polarisasi pelepasan dan kerapatan daya baterai Zn–udara menunjukkan perilaku sel yang lebih baik menggunakan PVAA─selulosa SSE dibandingkan dengan sel yang menggunakan PVA dan PVAA, dengan kerapatan daya sebesar 74 mW cm −2 (Gambar 7g ), dan polarisasi yang lebih rendah untuk pelepasan yang dibatasi hingga 10 menit hingga 10 mA cm −2 (Gambar 7h ).

Lebih jauh lagi, kurva tegangan–kapasitas pada Gambar 7i mengindikasikan untuk sel yang menggunakan elektrolit PVAA─selulosa kapasitas spesifik 720 mAh g −1 sebagaimana dirujuk pada berat Zn untuk pelepasan lengkap hingga 0,5 V, yang disalurkan terutama pada sekitar 1,25 V. Spektrum EIS membuktikan resistansi antarmuka sel beberapa ohm (Gambar 7j ), dan kurva siklus pelepasan galvanostatik–pengisian pada 3 mA cm −2 dengan membatasi waktu pengisian/pengosongan hingga 10 menit mengungkapkan stabilitas selama 54 jam (yaitu, 160 siklus pada Gambar 7k ) serta fleksibilitas yang luar biasa. [ 44 ] Penelitian terbaru lainnya menyajikan CMC─PVA GPE untuk baterai Zn–udara. [ 46 ] Para penulis mengoptimalkan proses untuk mencapai elektrolit yang mempertahankan jumlah KOH yang relevan untuk mendukung proses elektrokimia katode udara berbasis MnO 2 dan anoda Zn. Rasio PVA:CMC, konsentrasi PVA─CMC, dan ketebalan elektrolit polimer gel telah disetel dengan baik. Hasil penelitian menunjukkan bahwa gel yang menggunakan membran polimer dengan rasio PVA:CMC 5:2 pada konsentrasi 0,063 g mL −1 dalam air DI dapat menyerap 6 m KOH, sehingga menurunkan resistansi transfer muatan (R CT ) perangkat, dan meningkatkan plateau pelepasan sebanyak 5–6 kali dibandingkan dengan gel yang hanya menggunakan PVA. Gambar 8a menunjukkan skema matriks polimer, dan Gambar 8b mengungkapkan penyerapan elektrolit polimer gel yang signifikan selama evolusi waktu. Kinerja siklus baterai Zn–udara menggunakan nanokabel MnO2 dengan batas durasi 10 menit untuk setiap pelepasan (5,2 mA cm −2 ) atau pengisian (7,3 mA cm −2 ) yang dilaporkan pada Gambar 8c membuktikan masa pakai yang diperpanjang lebih dari 75 siklus, tegangan kerja rata-rata sekitar 1,3 V, namun polarisasi awal 0,66 V (Gambar 8d ) meningkat menjadi sekitar 1 V pada akhir pengujian (Gambar 8e ), yang dibenarkan oleh peningkatan impedansi sel yang ditunjukkan oleh EIS perangkat sebelum dan setelah siklus (Gambar 8f ). Perlu disebutkan bahwa penyerapan elektrolit (Gambar 8g ) berkorelasi dengan R CT perangkat. Di sisi lain, baterai Zn–udara menggunakan pengaturan elektrolit yang sama dengan busa Ni berpori baru (elektroda udara) telah dirakit dan didaur ulang. Gambar 8h menunjukkan kurva kapasitas pelepasan sel ini dari OCV (inset) hingga 0 V pada 1 mA cm −2, dan mengungkap tegangan kerja sekitar 1,3 V dan kapasitas pelepasan maksimum 710 mAh g −1 sebagaimana dirujuk pada bobot Zn. Lebih jauh, kinerja siklus baterai ini (Gambar 8i ), dalam kondisi yang sama dengan yang sebelumnya (bandingkan dengan Gambar 8c ) menggambarkan tren reversibel selama 310 siklus (batas pengisian/pengosongan 10 menit), sehingga menyarankan optimalisasi katode sebagai strategi yang sesuai untuk meningkatkan kinerja baterai di samping pengaturan elektrolit yang tepat. [ 46 ] Contoh literatur lebih lanjut secara menarik menunjukkan secara bersamaan efek penghambat CO 2 dan penyimpanan energi dalam sistem berdasarkan elektrolit selulosa konduktif yang dihiasi CO 2 . [ 48 ] Pekerjaan difokuskan pada pencapaian selulosa yang sangat konduktif dengan menghiasi selulosa dengan CO 2 (CC─CO 2 ) melalui ionisasi, yang mengalirkan ikatan hidrogen antar dan intramolekul yang melekat. Bahan tersebut digunakan sebagai baterai Zn–udara kuasipadat yang dapat menghambat keracunan CO2 pada elektrolit dan pembentukan dendrit pada Zn untuk meningkatkan kinerja dan stabilitas elektrokimia bahkan dalam atmosfer yang kaya CO2 . Gambar 8j mengungkapkan bahwa baterai yang menggunakan elektrolit CC─CO2 dapat bertahan selama 60 jam (sekitar 300 siklus), membatasi durasi siklus hingga 10 menit, dengan polarisasi sedikit di bawah 1 V dan tegangan kerja 1,4 V, sementara sel yang menggunakan CC beroperasi dalam kondisi yang sama selama kurang dari 20 jam (100 siklus). Makalah tersebut mengklaim bahwa kemudahan dan efisiensi daur ulang bahan, serta mengintegrasikan pemanfaatan CO2 dengan bahan yang berasal dari bio dirancang dengan baik untuk sistem penyimpanan energi terbarukan untuk memenuhi target keberlanjutan. [ 48 ] Elektrolit biodegradable lain baru-baru ini dirancang untuk sistem penyimpanan energi fleksibel dalam literatur untuk menurunkan biaya, dan meningkatkan keamanan. [ 47 ] Oleh karena itu, isolat protein kedelai terkuarter (QSPI) dengan elektrolit polimer hidroksi etil selulosa (HEC) yang sangat hidrofilik (QSPI@HEC) yang dicirikan oleh konduktivitas ionik yang relevan, hingga 24 mS cm −1 , telah disiapkan dan diterapkan dalam baterai Zn–udara. Energi aktivasi transpor ion telah diperoleh untuk membran ini dengan menghitung kemiringan ln( σ ) versus (1000/ T ) menurut persamaan Arrhenius, dan OH −transportasi telah dijelaskan untuk terutama dikendalikan oleh mekanisme Grotthuss. Baterai Zn–udara yang dihasilkan bekerja pada berbagai kerapatan arus yang melebihi membran referensi (Fumasep FAA-3-PK-75 FAA-3-PK-75), dengan dataran tinggi pelepasan 1,3 V pada 0,5 mA cm −2 dan 1,2 V pada 10 mA cm −2 , pada waktu dibatasi hingga 10 menit untuk setiap arus (Gambar 8k ), dan kerapatan daya puncak hingga 80 mW cm −2 . Arus siklus pelepasan galvanostatik–pengisian pada 1 mA cm −2 dengan durasi dibatasi hingga 1 jam per pengisian atau pengosongan stabil selama sekitar 4300 menit (36 siklus), jelas melebihi sampel referensi (Gambar 8l ). [ 47 ]

Contoh sel Zn–udara yang dapat diisi ulang yang dilaporkan di atas menunjukkan kelayakan teknologi ini dengan menyetel karakteristik antarmuka elektroda/elektrolit dengan benar. Namun, sel tersebut mengungkapkan masalah yang masih terus-menerus yang disebabkan oleh kinetika yang lambat, yang mengarah pada siklus hidup yang dapat diterima hanya jika sebagian kecil dari kapasitas dieksploitasi (biasanya kurang dari 1/10 dari yang dapat dicapai dengan pelepasan penuh hingga tegangan rendah). Kelemahan ini dapat dikurangi dengan pengaturan sel yang memadai, termasuk keberadaan katalis di sisi katode. Di sisi lain, katalis yang paling terkenal untuk OER adalah RuO 2 , dan untuk ORR adalah Pt/C, masing-masing, yang memiliki banyak kelemahan, misalnya, biaya tinggi, dan stabilitas yang sederhana dalam elektrolit terutama pada potensi oksidasi yang lebih tinggi. [ 63 , 70 , 71 ] Kandidat lain dengan biaya yang lebih berkelanjutan adalah elektrokatalis oksida logam transisi, yang dikenal luas karena kemampuannya dalam memfasilitasi OER dan ORR, karena orbital d yang terisi sebagian yang memfasilitasi banyak kemungkinan keadaan oksidasi. Selain itu, peningkatan kinerja dapat dicapai melalui doping atau penggabungan dengan bahan pelengkap lainnya seperti bahan berbasis karbon. [ 72 – 75 ]

5 Evaluasi Kepadatan Energi, Penerapan, dan Prospek Masa Depan
Bahasa Indonesia: Pada paragraf sebelumnya, kami telah mengilustrasikan contoh baterai Zn isi ulang yang beroperasi dengan menggunakan kimia katode yang berbeda, yaitu, MnO 2 , V 2 O 5 , dan udara, memanfaatkan membran berbasis selulosa sebagai media elektrolit berair. Meskipun ada banyak contoh sel Zn lainnya dengan pengaturan yang dibahas di sini, [ 76 – 79 ] serta menggunakan media elektrolit yang berbeda, [ 80 , 81 ] tampak bagi kami bahwa substrat berbasis selulosa adalah di antara yang paling nyaman dalam hal kemampuan proses dan dampak ekonomi dan lingkungan yang rendah. [ 82 – 84 ] Tidak seperti bahan yang sebagian besar berasal dari bahan baku fosil dan mineral yang dapat memicu perubahan iklim, polusi plastik, dan tantangan ekonomi, selulosa merupakan substrat serbaguna yang dianggap oleh pemangku kepentingan terkait sebagai biodegradable, dan berkelanjutan. Selain itu, bahan berbasis selulosa yang berasal dari berbagai produk alami dan bahkan dari biowaste dapat diubah menjadi hidrogel, aerogel, membran, film, dan serat melalui jalur sintetis konvensional dan berbiaya rendah, yang selanjutnya memicu keberlanjutan. [ 85 ] Di sisi lain, tinjauan kami menunjukkan bahwa berbagai masalah bahan katoda arus utama, seperti pelarutan MnO 2 dan kemungkinan kehilangannya dalam sel atau kerusakan V 2 O 5 , dapat dibatasi secara kuat oleh beberapa optimasi membran berbasis selulosa. Oleh karena itu, di antara baterai yang diilustrasikan di atas, sel yang menggunakan katode COP─CMC/QG─Zn dan Zn/MnO2 daripada elektroda kosong pada Gambar 4c mengungkapkan siklus hidup yang diperpanjang lebih dari 1000 siklus dengan peluruhan yang sangat sederhana, sel dengan membran gel PIM dan katode yang sama pada Gambar 4e mempertahankan 85% dari kapasitas murni lebih dari 400 siklus, sedangkan yang menggunakan Zn–gel dari selulosa/DES dan kain karbon@MnO2 ( CC@MnO2 ) pada Gambar 5c menunjukkan 500 siklus dengan peluruhan yang sangat terbatas. Peningkatan yang sama telah diamati untuk katode berbasis vanadium-oksida dengan membran selulosa, sebagaimana dibuktikan dengan jelas oleh kinerja sel NH4V4O10 / CAZ @ Zn pada Gambar 6e yang menggambarkan masa pakai yang diperpanjang lebih dari 2000 siklus tanpa peluruhan yang signifikan. Oleh karena itu, penggunaan membran berbasis selulosa dapat secara substansial mengurangi masalah yang masih ada dari katoda terdifusi seperti MnO 2 dan V 2 O 5Kandungan energi dan siklus hidup sel yang dibahas di sini berbeda tergantung pada fitur sisi elektrolit dan katode. Berikut ini, kami membandingkan karakteristik berbagai prototipe sel dengan tujuan mencerahkan kemungkinan penerapan di bidang yang sesuai menurut permintaan energi dan ekonomi. [ 86 ] Oleh karena itu, untuk mencapai cakupan ini, Tabel 2 melaporkan ringkasan karakteristik sel Zn yang ditunjukkan dalam berbagai gambar karya ini dalam hal: i) jenis baterai; ii) tegangan kerja dianggap sebagai nilai rata-rata untuk kurva miring atau multibentuk dalam sel ion Zn (yaitu, yang menggunakan katode tipe MnO2- dan V2O5- ) , sementara dataran tinggi pelepasan yang hampir konstan sekitar 1,3 V untuk baterai Zn –udara; iii) kapasitas spesifik maksimum yang biasanya dicapai pada arus terendah, dinormalisasi ke berat material aktif di katode untuk baterai ion Zn, dan ke berat anoda Zn untuk sel Zn–udara; iv) kapasitas awal selama siklus jangka panjang, dianggap sebagai siklus setelah beberapa operasi stabilisasi awal, dengan arus terkait, retensi kapasitas, dan jumlah total siklus. Perlu diperhatikan bahwa jumlah siklus dilaporkan hanya sebagai indikasi juga untuk sel Zn–udara, dan tidak dapat secara langsung dibandingkan dengan siklus hidup sel Zn-ion yang umum karena dicapai dengan membatasi waktu pengosongan, oleh karena itu kapasitas sel, menjadi sebagian kecil dari pengosongan penuh. Di sisi lain, sel Zn–udara menunjukkan nilai kapasitas tertinggi pada pengosongan tunggal tanpa batasan, yang bagaimanapun tidak sepenuhnya dapat dibalik, sebaliknya sel yang menggunakan MnO2 memiliki nilai tegangan kerja tertinggi meskipun kapasitas maksimum terendah, dan mereka berbagi dengan sel yang menggunakan katoda tipe V2O5 siklus hidup yang paling relevan dalam kondisi praktis yang sebanding dengan sistem isi ulang lainnya. Meskipun tegangan kerja rata-rata terendah di antara sel-sel lainnya, sel-sel yang menggunakan katoda V2O5 menunjukkan daya saing yang relevan dalam hal nilai kapasitas tinggi dan kelayakan.

Tabel 2. Karakteristik berbagai baterai Zn isi ulang yang dilaporkan dalam tinjauan ini dalam hal tegangan kerja rata-rata, kapasitas spesifik gravimetrik, dan siklus hidup.

a) Dihitung dengan mempertimbangkan berat bahan aktif katoda;
b) Dihitung dengan memperhitungkan berat anoda Zn;
c) Dicapai dengan membatasi waktu pengosongan hingga sebagian kecil dari pengosongan penuh (di bawah 10% dari nilai maksimum untuk pengosongan sel penuh).

Oleh karena itu, kami dapat menyarankan bahwa baterai Zn-ion saat ini paling kompetitif dalam hal kapasitas gravimetrik dan siklus hidup, sedangkan baterai Zn-air masih yang paling menjanjikan, sambil meminta pengembangan lebih lanjut untuk mencapai pada saat yang sama kapasitas tinggi dan siklus hidup yang panjang. Wawasan lebih lanjut untuk memfasilitasi perbandingan dilaporkan dalam Gambar 9 yang merangkum kinerja dalam hal kepadatan energi yang diharapkan dari berbagai sel yang dibahas di sini. Perlu disebutkan bahwa kepadatan energi yang diharapkan telah dihitung dengan mempertimbangkan kapasitas maksimum sel dan tegangan kerja rata-ratanya, serta faktor reduksi untuk memperhitungkan kontribusi elemen yang tidak aktif, seperti casing sel, pengumpul arus, dan komponen badan sel. Faktor reduksi ini telah dianggap 1/3 untuk sel Zn-ion, yang merupakan fraksi konvensional yang biasanya digunakan dalam kasus baterai isi ulang yang paling tersebar, seperti baterai Li-ion. [ 87 ] Di sisi lain, faktor reduksi diturunkan menjadi 1/10 untuk sel Zn–udara, yang menggunakan lapisan difusi gas, busa, dan bahan lain untuk memungkinkan difusi oksigen, dan memperkirakan keterbatasan kapasitas maksimum menjadi sebagian kecil dengan menyetel waktu pengisian/pengosongan untuk kemampuan isi ulang. Perlu disebutkan bahwa normalisasi drastis seperti itu biasanya dilakukan juga untuk baterai isi ulang Li–oksigen (Li–udara) yang memiliki masalah yang sangat mirip. [ 88 , 89 ] Menariknya, gambar tersebut membuktikan bahwa kerapatan energi praktis berkisar dari maksimum 135 Wh kg −1 untuk sel dengan kinerja tertinggi hingga 75 Wh kg −1 untuk sel dengan kinerja lebih rendah. [ 44 ] Secara rinci, satu contoh sel Zn–MnO 2 menunjukkan nilai yang sangat menjanjikan (135 Wh kg −1 ) [ 40 ] yang hampir bersaing dengan sel ion Na, [ 90 ] dengan bonus tambahan berupa penerapan yang relevan dan siklus hidup yang panjang dalam baterai praktis (lihat Tabel 2 untuk rinciannya). Relevan, semua sel yang menggunakan elektroda tipe V 2 O 5 menunjukkan nilai bersaing yang sama sekitar 110 Wh kg −1 , [ 31 , 32 , 41 ] sementara sel Zn–udara yang dapat diisi ulang menunjukkan nilai maksimum sekitar 110 Wh kg −1 dan keuntungan dari daya tahan untuk kemungkinan aplikasi khusus. [ 48 ] Data yang dilaporkan dalam Gambar 9menunjukkan untuk semua sel Zn yang dapat diisi ulang nilai energi yang biasanya diterima dengan baik untuk aplikasi dalam penyimpanan stasioner, yang lebih dipengaruhi oleh biaya baterai daripada berat dan volume, daripada bidang kendaraan listrik. [ 86 ] Namun, kami akan menyebutkan bahwa pengembangan baterai isi ulang masa depan berdasarkan Zn dan katoda seperti MnO 2 , V 2 O 5 , atau oksigen memerlukan solusi akhir dari masalah seperti pelarutan logam, penonaktifan katoda, atau pembentukan dendrit di sisi anoda. Meskipun tinjauan ini membuktikan bahwa beberapa perbaikan telah dilakukan, difusi skala besar sebenarnya dari sistem yang dapat diisi ulang ini dapat dicapai dengan mengoptimalkan lebih lanjut semua komponen sel. Secara khusus, anoda Zn dapat ditingkatkan dengan menggunakan pelapis, sistem paduan, atau pelapisan listrik langsung dalam versi bebas logam Zn. Katoda dapat dimodifikasi lebih lanjut dengan pelapisan, doping, atau dengan membangun struktur 3D, pra-interkalasi spesies tamu, pengenalan cacat, atau dengan mengoptimalkan nanostruktur. Elektrolit dapat dioptimalkan dengan menggunakan aditif atau pemisah ad hoc, meningkatkan kekuatan, fungsionalisasi gel fleksibel atau membran plasticized, dan memilih garam Zn yang tepat. [ 52 , 57 ] Secara khusus, interaksi sinergis antara ketiga komponen dianggap sebagai jalur pilihan, khususnya untuk baterai Zn–udara yang merupakan sistem yang paling menantang. [ 67 ]

Di antara optimasi elektrolit baru-baru ini, kita dapat menyebutkan bahwa membran dengan transpor proton asimetris untuk keselarasan komunikasi silang telah digunakan sebagai elektrolit ramping ekstrem untuk baterai Zn–vanadium, [ 91 ] sementara film hidrogel jaringan ganda ionotronik nanofibril MXene-selulosa berhasil digunakan untuk menstabilkan anoda seng. [ 92 ] Lebih jauh, elektrolit nanoselulosa-karboksimetilselulosa telah dikembangkan ad hoc untuk baterai ion Zn yang dicirikan oleh stabilitas yang sangat baik dan laju yang tinggi, [ 93 ] dan elektrolit gel selulosa ultratipis dengan antarmuka hidropenik gradien telah diadopsi untuk mengembangkan baterai Zn yang stabil, berenergi tinggi, dan fleksibel. [ 94 ] Di sisi lain, selulosa fungsional rekayasa nano telah dikembangkan sebagai konduktor ionik untuk mencapai baterai ion Zn serba-padat dengan kinerja yang relevan, [ 95 ] dan CNC telah dibangun untuk mencapai elektrolit hidrogel multiskala yang digunakan dalam baterai ion Zn yang sangat reversibel dan fleksibel. [ 96 ] Anoda Zn yang sangat stabil telah dicapai dengan menggunakan hidrogel jaringan ganda berbasis selulosa amfoterik, [ 97 ] sedangkan elektrolit dengan saluran ion dan air yang melimpah telah diturunkan dari biomassa untuk baterai Zn–udara yang solid dan fleksibel. [ 98 ] Sebagai bukti akhir penerapan sistem, Gambar 10 melaporkan beberapa baterai ion Zn paling baik yang baru-baru ini dilaporkan dalam literatur.

Yang mengesankan, ester selulosa levulinat multifungsi berbasis bio, [ 99 ] dan CNC multifungsi [ 100 ] telah digunakan sebagai aditif elektrolit untuk mendapatkan baterai Zn–MnO 2 dengan siklus hidup yang diperpanjang lebih dari 3000 siklus (Gambar 10a,b , berturut-turut). Yang sama mengesankannya adalah 5000 siklus stabil baterai Zn–V 2 O 5 yang memanfaatkan penataan ulang rantai molekuler dari antarmuka buatan berbasis selulosa alami pada anoda logam Zn (Gambar 10c ), [ 101 ] sedangkan antarmuka yang diinduksi oleh penyerapan molekul berfungsi sebagai pengatur untuk baterai Zn–MnO 2 dengan siklus hidup yang relevan. [ 102 ]

6. Catatan dan Kesimpulan
Tinjauan ini melaporkan serangkaian baterai Zn-isi ulang berdasarkan polimer lignoselulosa dan hidrogel, dikategorikan dengan mempertimbangkan sisi katode, yaitu mangan oksida, vanadium oksida, dan udara, semuanya diusulkan sebagai sistem penyimpanan energi untuk menurunkan biaya dan meningkatkan keberlanjutan lingkungan. Pekerjaan tersebut mengungkap penyetelan substansial dari teknik sintesis membran, yang memungkinkan persiapan berbagai jenis elektrolit terfungsionalisasi, yang dicirikan oleh kompatibilitas baik dengan anoda Zn maupun dengan sisi katode. Berkat gugus fungsional seperti ─OH, ─NH 2 , ─COO, dan ─CO, membran ini memungkinkan penampungan ion Zn 2+ yang memadai di tulang punggung, dan pada saat yang sama konduktivitas tinggi melebihi 1 × 10 −3 mS cm −1 , resistansi antarmuka elektrolit Zn–rendah, dan pembentukan dendrit yang ditekan. Misalnya, COP─CMC/QG telah meramalkan lapisan multifungsi hidrofilik di mana gugus karboksil dan hidroksil atau eter secara erat bersentuhan dengan logam Zn dan media penghantar ion Zn + . Pengaturan ini sebenarnya memungkinkan baterai isi ulang Zn–MnO2 dengan kinetika dan siklus hidup yang ditingkatkan. Di sisi lain, gugus tambahan seperti amidoksim dalam GPE AO-PIM-1/BC menunjukkan efek sinergis antara gugus yang disebutkan di atas dan ikatan C═N yang mengoordinasikan Zn2 + untuk lebih meningkatkan pengangkutan ion, mengurangi energi desolvasi, dan memungkinkan pengendapan Zn yang seragam, sehingga memicu kinerja elektrolit. Oleh karena itu, kita dapat menyimpulkan secara masuk akal bahwa efek bersamaan dari gugus fungsi koordinasi seperti karboksil, hidroksil, eter, dan gugus tambahan lainnya seperti ─CN atau ─SO, merupakan faktor utama yang bertanggung jawab atas peningkatan membran elektrolit berbasis selulosa dalam hal jumlah transferensi Zn, konduktivitas ion, stabilitas sel, kinetika, dan siklus hidup. Selain itu, berbagai prototipe membran menghasilkan elastisitas dan dengan kekuatan mekanis yang luar biasa, sehingga memungkinkan skalabilitas sistem. Mengenai kinerja sel Zn, penelitian ini mengungkapkan kemungkinan pencapaian siklus hidup yang panjang, khususnya untuk baterai yang menggunakan katoda MnO 2 dan V 2 O 5 . Secara rinci, proyeksi pada energi praktis yang dapat dicapai telah menunjukkan nilai 135 Wh kg −1 untuk sel Zn–MnO 2 , yang bersaing dengan baterai ion Na, sementara semua sel tipe Zn–V 2 O 5 secara konsisten menunjukkan energi sekitar 110 Wh kg −1 . Di sisi lain, sel Zn–air menunjukkan kinerja yang menjanjikan dengan kepadatan energi maksimum 100 Wh kg −1, yang dapat ditingkatkan lebih lanjut. Memang, sel-sel ini menghasilkan kapasitas pelepasan maksimum, yang pembalikannya masih terhalang oleh kinetika lambat dari proses yang mengarah ke polarisasi yang relevan dan kemungkinan kegagalan sel, kecuali pembatasan kapasitas ke sebagian kecil dari nilai maksimum diadopsi untuk meningkatkan masa pakai. Lebih jauh, sel-sel yang menggunakan V 2 O 5 membuktikan kemiringan tegangan terluas selama operasi, yaitu, membentang dari 0,3 hingga 1,5 V, sebaliknya yang menggunakan MnO 2 dioperasikan antara 1 dan 1,5 V, dan sistem Zn–udara dilepaskan pada tegangan konstan 1,3 V namun dengan pembatasan kapasitas dan polarisasi yang disebutkan di atas. Oleh karena itu, kita dapat menyimpulkan bahwa semua sel ini mungkin merupakan kandidat yang memadai untuk penyimpanan energi, sedangkan yang Zn–MnO 2 muncul sebagai contoh paling maju untuk kemungkinan skalabilitas. Lebih jauh lagi, kemajuan terkini dan relevan pada elektrolit berbasis selulosa telah benar-benar menghasilkan kinerja yang mengesankan dalam hal siklus hidup dan stabilitas baterai Zn-ion menggunakan katoda MnO2 dan V2O5 , sehingga menunjukkan kemungkinan konkret untuk aplikasi praktis masa depan dari sistem penyimpanan energi ini. Memang, Zn–MnO2 menggunakan ester levulinat selulosa multifungsi berbasis bio, [ 99 ] dan nanokristal selulosa multifungsi [ 100 ] mengungkapkan masa pakai yang diperpanjang lebih dari 3000 siklus, sementara baterai Zn–V2O5 yang memanfaatkan penataan ulang rantai molekuler dari antarmuka buatan berbasis selulosa alami menghasilkan 5000 siklus stabil. [ 101 ] Wawasan tambahan dapat diberikan dengan mempertimbangkan bahwa baterai ini tidak dapat bersaing dengan baterai Li-ion dalam hal kepadatan energi, yang merupakan permintaan kendaraan listrik yang paling menantang. [ 103 – 105 ] Sebaliknya, sistem berkelanjutan ini sebenarnya dapat berfungsi sebagai sumber daya untuk penggunaan stabilisasi jaringan dan penyimpanan energi stasioner dari sumber-sumber yang terputus-putus, namun tetap ramah lingkungan dan terbarukan, seperti tenaga surya, angin, dan panas bumi. [ 106 – 108 ] Sistem-sistem ini sebenarnya lebih dipengaruhi oleh biaya daripada kepadatan energi, dan dibutuhkan untuk membatasi produksi energi bahan bakar fosil dan mengurangi emisi gas rumah kaca yang dapat memicu pemanasan global. [ 109 , 110 ] Di sisi lain, penurunan berat kendaraan dimungkinkan dengan menggunakan material komposit baru, seperti serat karbon, [ 111 , 112 ]bahkan dapat membuka ruang untuk penggunaan baterai berbasis Zn yang dapat diisi ulang dalam transportasi jalan raya bertenaga listrik, sehingga semakin membatasi emisi dari teknologi mesin pembakaran. [ 113 , 114 ]