Betri mseto ya mtiririko ya zinki–iodini (zinc–iodine hybrid flow battery, ZIHFB), ni betri mseto ya mtiririko yenye elektroliti ya maji ambamo, wakati wa kuchaji, ioni za Zn²⁺ huwekwa kama zinki ya metali kwenye elektrodi ya pande tatu katika nusu-seli hasi, huku katika nusu-seli chanya ikitumika kemia ya redoksi ya iodidi/poliiodidi. Utafiti huu ulichunguza chanzo cha kifizikia cha tukio la uharibifu la voltaic bulge katika seli moja ya kiwango cha maabara; tukio hili hujitokeza katika uwezo mkubwa wa eneo wa elektrodi hasi na huonekana kwenye volteji ya kuchaji kama ongezeko kali linalofuatwa na kushuka kwa ghafla.

Watafiti walibadilisha kwa utaratibu hali ya chaji (state of charge, SoC), ujazo na muundo wa elektroliti hasi; walifanya majaribio kwa miundo ya seli ya kawaida na iliyobadilishwa; na walitumia kwa pamoja spektroskopi ya impedansi ya kielektrokemia (EIS), mizunguko ya kuchaji–kutoa chaji, tomografia ya mikro-kompyuta (mCT), upigaji picha wa macho wa konfokali na jaribio la kutovuja kwa membrani kupitia kushuka kwa shinikizo.

Matokeo yalionyesha kuwa kiasi kikubwa cha Zn kinapowekwa, zinki haisambai kwa usawa katika ujazo wote wa elektrodi ya felt ya grafiti. Zn hujikusanya hasa katika ukanda mwembamba karibu na membrani ya kubadilishana kationi na kuunda tabaka kompakt. Tabaka hili hupunguza eneo tendaji la sehemu-kata ambalo ioni zinaweza kutumia kufikia sehemu iliyobaki ya elektrodi hasi. Kadiri usafirishaji wa ioni unavyozuiwa, msongamano wa mkondo wa ndani huongezeka, ukuaji wa dendriti za Zn huchochewa, na dendriti zinaweza kutoboa membrani ya kubadilishana kationi na kusababisha uharibifu wa seli usioweza kurekebishwa.

Katika muundo wa kawaida wa seli, voltaic bulge ilionekana kwa mfumo huu wa majaribio kwa kawaida katika masafa muhimu ya takriban 115–130 mAh cm⁻² ya \(Q_{\mathrm{areal}}\). Uchambuzi wa mikro-CT ulionyesha kuwa porositi ya felt ya grafiti hasi katika eneo la 0–0,09 mm linalopakana na membrani, ambayo awali ilikuwa 0,935, ilishuka hadi takriban 0,30 katika mzigo wa Zn usioonyesha bulge dhahiri na hadi 0,15 katika hali ya bulge.

Majaribio ya kuboresha yalionyesha kuwa kuchanganya upya elektroliti pekee au kuzibadilisha kwa elektroliti mpya hakukurudisha seli iliyoharibika katika utendaji wake wa awali. Membrani ya kubadilishana kationi ilipobadilishwa, coulombic efficiency (CE) ilirudi hadi takriban %90, jambo linalounga mkono jukumu kuu la uharibifu wa membrani katika upotevu wa utendaji usioweza kurekebishwa. Hata hivyo, hali ya mzigo mkubwa wa Zn ilipoendelezwa, voltaic bulge ilitokea tena hata kwenye membrani mpya.

Miongoni mwa mikakati iliyojaribiwa, utendaji thabiti wa muda wa kati ulipatikana kwa kuweka kikomo cha juu cha kuchaji cha \(Q_{\mathrm{areal}}\) kuwa 80 mAh cm⁻², kuweka kikomo cha volteji ya kuchaji kuwa 1,55 V, na kuunganisha matangi mawili ya elektroliti kwa kiunganishi chembamba cha majimaji. Mfumo wa maabara ulioboreshwa ulionyesha CE ≥ %95, ufanisi wa nishati (EE) > %83 na upotevu wa uwezo wa %0,02 kwa kila mzunguko katika 100 mA cm⁻².

Matokeo haya hayathibitishi maisha marefu ya matumizi ya shambani ya mfumo wa kibiashara wa ZIHFB. Utafiti huu unahusu seli moja ya maabara, jiometri maalum ya felt ya grafiti/CEM, muundo maalum wa elektroliti na halijoto ya uendeshaji ya 40 °C. Mekanizimu iliyopatikana ilitengenezwa ili kueleza tukio la voltaic bulge katika mfumo huu na kuongoza miundo ya baadaye ya seli inayoweza kufikia uwezo mkubwa zaidi wa eneo.

Betri mseto ya mtiririko ni nini?

Katika betri za mtiririko wa redoksi, dutu hai kwa kawaida huhifadhiwa katika elektroliti za kioevu kwenye matangi ya nje na kusukumwa kupitia seli ya kielektrokemia. Nguvu inaweza kuongezwa hasa kwa kuongeza eneo la seli/stack, huku uwezo wa nishati ukiweza kuongezwa kwa kiasi cha elektroliti na mkusanyiko wa dutu hai.

Katika betri mseto ya mtiririko, uhifadhi wa nishati katika angalau nusu-seli moja hautegemei tu spishi za redoksi zilizoyeyushwa. Katika ZIHFB, katika nusu-seli hasi ioni za Zn²⁺ huwekwa kama Zn ya metali ndani ya elektrodi wakati wa kuchaji na huyeyuka tena wakati wa kutoa chaji.

Kwa hiyo uwezo wa ZIHFB huzuiwa na kiasi cha dutu hai katika elektroliti pamoja na kiasi cha Zn kinachoweza kuhifadhiwa kwa usalama na kwa mchakato unaoweza kurejeshwa ndani ya elektrodi hasi.

Elektrokemia ya msingi ya mfumo wa zinki–iodini

Mmenyuko mkuu wa uwekaji/uyeyushaji wa Zn katika nusu-seli hasi umetolewa katika chanzo kama Mlinganyo (1):

\[ \mathrm{Zn^{2+}+2e^- \rightleftharpoons Zn^0} \qquad E^\circ=-0.763\ \mathrm{V\ vs.\ NHE} \]

Wakati wa kuchaji, mmenyuko husonga kulia na Zn²⁺ iliyoyeyushwa huwekwa kama Zn ya metali kwenye elektrodi hasi. Wakati wa kutoa chaji, mwelekeo hubadilika na Zn ya metali hubadilika tena kuwa ioni ya Zn²⁺.

Katika nusu-seli chanya, ubadilishaji wa iodidi kuwa iodini ni:

\[ \mathrm{2I^- \rightleftharpoons I_2+2e^-} \]

kwa namna hii.

I₂ inayoundwa huungana na I⁻ ya ziada na kuunda triiodidi yenye umumunyifu mkubwa zaidi:

\[ \mathrm{I_2+I^- \rightleftharpoons I_3^-} \]

Hatua hizi mbili zinapounganishwa, chanzo kinatoa Mlinganyo (4):

\[ \mathrm{3I^- \rightleftharpoons I_3^-+2e^-} \qquad E^\circ=0.534\ \mathrm{V\ vs.\ NHE} \]

kwa namna hii.

Kwa sababu ya stoikiometria hii, moja kati ya ioni tatu za iodidi hutumika kuweka I₂ inayoundwa katika suluhisho kama I₃⁻; kwa hiyo chanzo kinaeleza kuwa si iodini yote katika elektroliti hushiriki moja kwa moja katika mmenyuko wa kuhifadhi nishati wa elektroni mbili.

Kwa nini triiodidi inaweza kuwa tatizo kwa Zn?

Triiodidi ni kioksidishaji chenye nguvu na inaweza kutoa mmenyuko wa moja kwa moja wa kikemia wa kujitoa chaji yenyewe pamoja na Zn ya metali. Chanzo kinatoa Mlinganyo (5):

\[ \mathrm{Zn^0+I_3^-\rightarrow 3I^-+Zn^{2+}} \]

kwa namna hii.

Katika mmenyuko huu Zn ya metali huyeyuka kikemia bila kupata mkondo wa umeme wenye manufaa kutoka kwa betri kupitia saketi ya nje. Kwa hiyo kupenya kwa I₃⁻ kwenda nusu-seli hasi ni mojawapo ya mekanizimu za kujitoa chaji zenyewe zinazopunguza thamani ya coulombic efficiency.

Faida kuu ya ZIHFB na tatizo lake kuu la uwezo

Chanzo kinataja uwezo wa kinadharia wa ujazo wa kemia ya ZIHFB kuwa zaidi ya 250 Ah L⁻¹ na msongamano wa kinadharia wa nishati kuwa takriban 167 Wh dm⁻³. Hizi si thamani mpya za utendaji zilizopimwa katika utafiti huu, bali ni sifa za kinadharia za mfumo katika muktadha wa fasihi.

Mojawapo ya matatizo makuu yanayozuia uwezo wa vitendo ni kwamba uwekaji hauendelei kuwa wa usawa wakati kiasi kikubwa cha Zn kinawekwa ndani ya elektrodi hasi. Uwezo wa eneo:

\[ Q_{\mathrm{areal}} \]

huonyeshwa kwa alama hii na huwakilisha chaji ya umeme iliyohifadhiwa kwa kila eneo la kijiometri la elektrodi. Katika makala hii kitengo chake ni mAh cm⁻².

\(Q_{\mathrm{areal}}\) kubwa zaidi inaweza kumaanisha nishati zaidi kuhifadhiwa katika eneo lilelile la seli; hata hivyo, ikiwa uwekaji wa Zn unazidi mipaka inayoruhusiwa na usafirishaji wa massa na jiometri ya seli, uwekaji kompakt na wa dendriti unaweza kutokea.

Kwa nini mofolojia ya uwekaji Zn ni muhimu?

Chanzo kinaeleza uwekaji wa Zn katika muktadha wa fasihi kwa mofolojia tatu za jumla:

• Mossy: muundo wa Zn uliolegea, wenye vinyweleo na unaofanana na moss.
• Crystalline/compact: muundo wa kioo/kompakt wenye msongamano mkubwa zaidi na unaoshikamana vizuri zaidi na uso.
• Dendritic: muundo wa dendriti unaofanana na sindano na unaoweza kukua katika mwelekeo maalum.

Msongamano wa mkondo, kasi ya mtiririko wa elektroliti na mkusanyiko wa Zn²⁺ katika suluhisho huathiri tabaka la difyusheni karibu na elektrodi na hivyo mofolojia itakayoundwa.

Chanzo pia kinatambulisha dhana ya current density ratio (CDR) kama uwiano wa msongamano halisi wa mkondo na msongamano wa mkondo wa kikomo. Kadiri mkondo unavyokaribia kiwango cha usafirishaji wa massa kinachoweka kikomo, uundaji wa dendriti unaweza kuchochewa. Kwa hiyo msongamano fulani wa mkondo wa jina pekee hauwezi kuitwa salama au hatari; mkusanyiko wa ndani wa Zn²⁺ na hali za hidrodinamiki pia ni muhimu.

Voltaic Bulge ni Nini na Hutokeaje Kulingana na Utafiti Huu?

Voltaic bulge ni ongezeko kali la volteji linalofuatwa na kushuka kwa ghafla katika mkunjo wa kuchaji wa ZIHFB wakati uwezo mkubwa wa eneo wa Zn umefikiwa; katika utafiti huu tukio hilo limeelezwa kwa uwekaji kompakt wa Zn karibu na membrani unaozuia usafirishaji wa ioni, kuongeza msongamano wa mkondo wa ndani, kuchochea ukuaji wa dendriti za Zn na hatimaye kutoboa membrani ya kubadilishana kationi.

Mlolongo wa uharibifu hatua kwa hatua

1. Wakati wa kuchaji ioni za Zn²⁺ huwekwa kama Zn kwenye felt ya grafiti hasi.
2. Uwekaji wa Zn si wa usawa katika ujazo wa felt ya grafiti; sehemu kubwa hujikusanya katika eneo karibu na CEM.
3. Kadiri Zn inavyowekwa, ujazo unaoweza kutumika wa vinyweleo vya felt ya grafiti karibu na membrani hupungua.
4. Tabaka kompakt la Zn huzuia usafirishaji wa elektroliti na ioni kuelekea maeneo ya mbali zaidi ya elektrodi hasi.
5. Kwa kuwa eneo tendaji la mmenyuko hupungua, msongamano wa mkondo wa ndani huongezeka katika maeneo yanayobaki kutumika.
6. Kukaribia kikomo cha usafirishaji wa massa huchochea ukuaji wa Zn wenye dendriti zaidi.
7. Overpotential ya seli huongezeka kwa kasi na sehemu inayopanda ya voltaic bulge hujitokeza katika mkunjo wa kuchaji.
8. Dendriti za Zn zinaweza kukua kuelekea CEM na kuanza kutoboa membrani.
9. Kutoboka kwa membrani hubadilisha muundo wa umeme/ioni na husababisha kushuka kwa ghafla kwa volteji ya seli.
10. I₃⁻ inapogusana na dendriti za Zn, kuyeyuka kwao kwa sehemu kwa njia ya kikemia kunaweza kubadilisha tabia ya mizunguko mifupi ya muda; hata hivyo, uharibifu wa CEM uliosambaa husababisha upotevu wa utendaji usioweza kurekebishwa.

Kwa nini voltaic bulge husababisha kwanza kupanda na kisha kushuka kwa volteji?

Tabaka kompakt la Zn linapozidi kufanya usafirishaji wa ioni kuwa mgumu, overpotential kubwa zaidi ya seli huhitajika ili kudumisha mkondo uleule. Kwa hiyo volteji ya kuchaji hupanda haraka.

Chanzo kinahusisha kushuka baada ya kilele cha volteji, kwa uwezekano mkubwa, na dendriti za Zn zinazoendelea kutoboa CEM. Katika hatua hii muundo wa upinzani wa ioni/umeme hubadilika. Hata hivyo, volteji haishuki kabisa hadi sifuri; katika chanzo inaweza kubaki chini kidogo ya takriban 1,5 V.

Kwa mujibu wa maelezo ya waandishi, dendriti za Zn zinazopita CEM hugusana na I₃⁻ katika elektroliti chanya na kuyeyuka kwa sehemu. Kwa hiyo njia ya mzunguko mfupi huenda isifanye kazi kama daraja la metali la kudumu na linaloendelea. Hata hivyo, mashimo ya kifizikia yanayotokea kwenye membrani ni ya kudumu na huharibu uteuzi/utendaji wa seli.

Bulge ikitoweka, je, betri huwa imetengamaa?

Hapana. Chanzo kinaonyesha kuwa ingawa umbo la voltaic bulge hupotea taratibu katika mizunguko inayofuata kwa SoC ya juu, CE huendelea kushuka kutoka takriban %85 hadi %70. Kwa hiyo kutokuonekana tena kwa kilele cha volteji hakumaanishi kuwa membrani au seli imejirekebisha kikamilifu.

Tofauti hii ni muhimu sana: voltaic bulge ni dalili ya kielektrokemia inayoonekana wakati uharibifu usioweza kurekebishwa unatokea; baada ya uharibifu kutokea, dalili hiyo hiyo si lazima ijirudie kwa namna ileile katika kila mzunguko.

Kwa Nini Katika SoC Ileile Voltaic Bulge Ilionekana Katika Seli Moja Lakini Haikuonekana Katika Nyingine?

Katika majaribio ya chanzo, voltaic bulge haitegemei asilimia ya SoC pekee; katika kikomo kilekile cha %80 SoC, negoliti ya 0,07 dm³ ilifikia mzigo wa Zn wa takriban 150 mAh cm⁻² na kuunda bulge, ilhali negoliti ya 0,05 dm³ ilibaki karibu 107 mAh cm⁻² bila kuonyesha bulge; hivyo ilihitimishwa kuwa kigezo muhimu ni kiasi halisi cha Zn kilichowekwa na \(Q_{\mathrm{areal}}\).

SoC na Qareal si kitu kimoja

State of charge (SoC), katika utafiti huu ni uwiano wa uwezo uliokuwa umechajiwa wakati huo na uwezo wa jumla wa kinadharia wa Zn²⁺ katika negoliti.

Kwa mfano, seli mbili zinaweza zote kuwa katika %80 SoC; lakini ikiwa ujazo wa negoliti unatofautiana, jumla ya kiasi cha Zn²⁺ na hivyo jumla ya kiasi cha Zn kilichowekwa kwenye elektrodi kinaweza kutofautiana.

\(Q_{\mathrm{areal}}\) ni chaji kamili iliyohifadhiwa iliyorekebishwa kwa eneo la elektrodi. Kwa hiyo SoC ileile katika kiasi tofauti cha negoliti inaweza kuendana na thamani tofauti za \(Q_{\mathrm{areal}}\).

Nini kilitokea katika skani ya kawaida ya SoC?

Jedwali linaonyesha kuwa CE ilibaki juu ya %98 katika %20 na %40 SoC; ilipofikia %60 SoC, ingawa CE ilibaki juu, ufanisi wa volteji na nishati ulianza kupungua; katika %80 SoC, hasa CE na EE zilionyesha upotevu dhahiri.

CE, VE, EE na CU zinamaanisha nini?

• CE — Coulombic efficiency: ni kipimo cha ufanisi kinachotathmini ni kiasi gani cha chaji ya umeme iliyoingizwa katika mfumo wakati wa kuchaji kinaweza kurejeshwa wakati wa kutoa chaji. Ni nyeti kwa hasara kama kujitoa chaji yenyewe, miitikio ya pembeni na Zn inayobaki.
• VE — Voltaic efficiency: ni ufanisi wa volteji unaotathmini hasara kati ya volteji za kuchaji na kutoa chaji. Huathiriwa na upinzani wa ohmic, kinetiki ya mmenyuko na polarization ya usafirishaji wa massa.
• EE — Energy efficiency: ni ufanisi wa jumla wa nishati unaoonyesha kwa pamoja hasara za chaji na volteji.
• CU — Capacity utilization: huonyesha ni kwa kiwango gani uwezo wa kinadharia wa negoliti uliweza kutumiwa katika jaribio.

Chanzo kinaeleza kuwa vipimo hivi vilihesabiwa kwa kutumia mahusiano ya kawaida, lakini hakikuandika upya milinganyo ya CE/VE/EE katika makala kuu. Kwa hiyo namba za milinganyo zisizopo katika chanzo hazijaundwa hapa.

Kwa nini Zn hujikusanya karibu na membrani katika felt ya grafiti?

Chanzo kinaeleza kuwa upitishaji wa kielektroni wa felt ya grafiti ni takriban agizo moja la ukubwa juu kuliko upitishaji wa ioni wa elektroliti. Katika utafiti, thamani ya takriban 1100 mS cm⁻¹ imetolewa kwa felt ya grafiti na takriban 300 mS cm⁻¹ kwa elektroliti.

Tofauti hii ya upitishaji na jiometri ya seli huchangia uwekaji wa kielektrokemia wa Zn kupendelewa katika maeneo karibu na membrani. Pia, kwa sababu ya mkusanyiko wa juu wa ndani wa Zn²⁺ katika eneo la kuingilia elektroliti, mgawanyo usio sare unaweza kuonekana pia katika mwelekeo wa mtiririko.

Kwa hiyo, hata kama felt ya grafiti ya pande tatu kinadharia hutoa ujazo mkubwa wa mmenyuko, kwa vitendo Zn huenda isisambae kwa usawa katika ujazo huo wote.

Hesabu ya porositi ya mikro-CT

Ili kutathmini mgawanyo wa Zn kutokana na msongamano wa mikro-CT, utafiti kwanza ulibadilisha uwezo wa majaribio kuwa wingi wa kinadharia wa Zn kwa kutumia sheria ya Faraday; katika hesabu hii ufanisi wa mkondo wa %100 ulidhaniwa.

Wakati wa kuhesabu ujazo wa Zn, dhana ya msongamano tendaji unaolingana na %70 ya msongamano wa Zn ya metali ilitumiwa. Jumla ya ujazo wa Zn uliopatikana uligawanywa katika ujazo wa pande tatu kulingana na intensiti ya ishara ya mikro-CT iliyorekebishwa.

Porositi katika kiwango cha voxel ilihesabiwa kwa Mlinganyo (6) wa chanzo:

\[ q= 1- \frac{ (1-q_{\mathrm{GF}})\,dV + V_{\mathrm{3D,zinc}} }{ dV } \]

Hapa:

• \(q\): porositi ya ndani iliyohesabiwa baada ya uwekaji wa Zn,
• \(q_{\mathrm{GF}}\): porositi ya awali ya felt ya grafiti kabla ya uwekaji wa Zn,
• \(V_{\mathrm{3D,zinc}}\): ujazo wa Zn uliohesabiwa ndani ya voxel husika,
• \(dV\): ni ujazo wa voxel.

Katika mlinganyo, \((1-q_{\mathrm{GF}})dV\) huwakilisha ujazo wa awali wa sehemu imara ya felt ya grafiti. Ujazo wa Zn uliowekwa huongezwa kwake. Uwiano wa jumla ya ujazo imara kwa ujazo wa voxel unapoondolewa, uwiano wa ujazo wa nafasi tupu, yaani porositi, hupatikana.

Kupungua kwa porositi hakumaanishi moja kwa moja kwamba “elektrodi imekuwa isiyopenyeza kabisa”; hata hivyo, katika chanzo kushuka kwake kutoka 0,935 hadi 0,15 katika eneo karibu na membrani kunaonyesha kuwa ujazo unaopatikana kwa usafirishaji wa ioni umepungua sana.

Vipimo vya EIS Viliungaje Mkono Mekanizimu ya Voltaic Bulge?

Matokeo ya EIS yalionyesha kuwa katika eneo la voltaic bulge mchango wa upinzani mahususi wa eneo wa masafa ya kati \(ASR_{CT}\) uliongezeka kwa kasi na kilele chake kiliambatana na kiwango cha juu cha overvoltage ya seli; kupungua kwa \(ASR_U\) katika eneo hilo hilo kulitafsiriwa na chanzo kuwa sambamba na dendriti za Zn kutoboa CEM.

ASRU na ASRCT ni nini?

\(ASR_U\), katika chanzo imetathminiwa kama ohmic area-specific resistance. Huonyesha vipengele vya haraka/ohmic vya upinzani wa seli, ikijumuisha membrani, elektroliti na miunganisho ya kielektroni.

\(ASR_{CT}\), katika chanzo imeripotiwa kwa jina charge-transfer area-specific resistance. Hata hivyo, waandishi wanasema wazi kuwa mabadiliko katika eneo la masafa ya kati hayasababishwi na kinetiki ya uhamisho wa chaji wa elektrodi pekee; athari changamani, ikijumuisha michakato ya membrani na usafirishaji, zinaweza kuchangia. Kwa hiyo katika makala neno hili linatumika kama jina la kiutendaji.

Kwa nini zilitumika protokali mbili tofauti za EIS?

PEIS_OCV vipimo vilifanywa katika volteji ya saketi wazi kama EIS ya potentiostatic. Masafa yalikuwa 10 kHz–25 mHz na amplitudo ya perturbation ya sinus ilikuwa 20 mV.

Hata hivyo, kila kipimo cha PEIS_OCV kilichukua zaidi ya dakika 10 na kusababisha jaribio kuzidi saa 13 badala ya mzunguko wa kawaida wa kuchaji–kutoa chaji wa takriban saa 3. Kwa sababu vipindi hivi virefu vya kusubiri vilibadilisha hali ya elektrodi ya Zn, waandishi hawakuona njia hii kuwa inafaa kwa kufuatilia mekanizimu ya voltaic bulge.

GEIS_LOAD kipimo kilifanywa kama EIS ya galvanostatic chini ya mzigo wa mkondo usiobadilika wa 100 mA cm⁻². Masafa yalikuwa 100 kHz–50 mHz na amplitudo ya perturbation ya multi-sine ilikuwa 12,5 mA cm⁻². Hivyo mabadiliko ya impedansi yaliweza kufuatiliwa huku seli ikiendelea kuchaji/kutoa chaji.

Chini ya GEIS_LOAD, nafasi ya voltaic bulge ilibaki karibu zaidi na wasifu wa kawaida wa kuchaji na ikaonekana kufaa zaidi kwa uchambuzi wa mekanizimu.

Je, bulge ni tukio la potenshali ya elektrodi au tukio la membrani/kiolesura?

Ufuatiliaji tofauti wa nusu-seli zote mbili kwa elektrodi rejea ulionyesha kuwa ongezeko la jumla la volteji ya seli katika eneo la bulge halikuwa na ukubwa sawa na mabadiliko ya potenshali za elektrodi.

Tofauti hii inaunga mkono kwamba sehemu muhimu ya overvoltage inayoongezeka ya seli haitokani moja kwa moja na mmenyuko mmoja wa elektrodi, bali na CEM na eneo la usafirishaji lililo karibu na membrani.

Ilijaribiwaje kwamba membrani ilikuwa imeharibika kweli?

Baada ya mizunguko, sehemu moja ya nusu ya seli iliyotolewa elektroliti iliwekewa shinikizo kwa N₂ na kufungwa kihidraviki. Upotevu wa shinikizo ulifuatiliwa kwa muda.

Katika seli yenye membrani mpya, chini ya shinikizo la ziada hadi 600 mbar, upotevu wa shinikizo ulikuwa takriban:

\[ 0.01\ \mathrm{mbar\,s^{-1}} \]

wakati katika seli baada ya majaribio ulikuwa takriban:

\[ 0.32\ \mathrm{mbar\,s^{-1}} \]

ulipimwa.

Upotevu wa shinikizo uliokuwa karibu mara 32 zaidi unaonyesha kuwa uadilifu wa membrani uliharibika kwa kiasi kikubwa. Chanzo kinaona hili kuwa sambamba kwa kiwango kikubwa na dendriti za Zn kutoboa membrani.

Kwa nini membrani mpya ni jaribio muhimu la udhibiti?

Katika seli iliyoharibika, CE ya awali haikurejeshwa wakati elektroliti pekee zilichanganywa au zilibadilishwa kabisa kwa elektroliti mpya. Kinyume chake, vipengele vingine vya seli na elektroliti vilipohifadhiwa na CEM pekee ikabadilishwa, CE ilipanda hadi takriban %90.

Udhibiti huu ni mojawapo ya majaribio ya moja kwa moja zaidi yanayounga mkono kwamba upotevu wa kudumu wa utendaji hautokani tu na muundo wa elektroliti; uharibifu wa kifizikia wa membrani una jukumu kuu.

Baada ya kutumia membrani mpya, wakati mzigo mkubwa uliendelea, voltaic bulge ingeweza kuonekana tena mapema kama mzunguko wa pili. Kwa hiyo kubadilisha membrani hakuondoi chanzo cha tatizo; hubadilisha tu sehemu iliyoharibika.

Mbinu na Matokeo ya Utafiti

Muundo wa seli moja

Majaribio ya ZIHFB yalifanywa katika muundo wa seli moja uliotokana na seli ya kawaida ya maabara iliyotengenezwa na Pinflow Energy Storage s.r.o.

Seli ina hasa vipengele vifuatavyo:

• sahani za mwisho za alumini,
• vikusanya mkondo vya shaba,
• sahani za kompoziti ya kaboni–polima,
• felt za grafiti zenye msingi wa rayon (GF),
• gaskets bapa za polyolefin elastomeriki,
• fremu za usambazaji wa elektroliti za PVC,
• membrani ya kubadilishana kationi iliyowashwa (CEM).

Uwiano wa kubana felt ya grafiti uliwekwa kuwa %25. Eneo la kijiometri la elektrodi lilikuwa 20 cm², yaani 4 × 5 cm². Katika nusu-seli zote mbili ulitumika mpangilio wa flow-through ambapo elektroliti hupita ndani ya felt ya grafiti.

Elektroliti ya kawaida na hali za uendeshaji

Protokali ya kawaida ya kuchaji–kutoa chaji

Betri ilichajiwa kwanza hadi %20 ya uwezo wa kinadharia wa negoliti, kisha kikomo cha SoC kikaongezwa hadi %40, %60 na %80.

Kuchaji kulifanywa katika hali ya galvanostatic CC kwa msongamano wa mkondo usiobadilika wa 100 mA cm⁻².

Kutoa chaji kulifanywa katika hali iliyounganishwa ya CC–CV. Volteji ya seli ilipofikia kikomo cha 0,1 V, kushikilia kwa potentiostatic kulitumika na utoaji chaji ukaendelea hadi mkondo wa kutoa chaji uliposhuka chini ya %10 ya mkondo wa kuchaji.

Chanzo kinafafanua SoC kama uwiano wa uwezo uliokuwa umechajiwa wakati huo na uwezo wa jumla wa kinadharia wa Zn²⁺ katika negoliti.

Mtiririko wa ioni na maji ndani ya elektroliti

Katika ZIHFB inayotumia CEM, wakati wa kuchaji mbeba-chaji mkuu ni ioni ya K⁺. K⁺ husafirishwa kutoka posoliti kwenda negoliti chini ya athari ya uga wa umeme na inaweza kubeba maji pamoja na ganda lake la hydration.

Kulingana na chanzo, wakati wa kuchaji:

• Mtiririko wa K⁺ huwa hasa katika mwelekeo posoliti → negoliti.
• Zn²⁺ pia inaweza kupita katika mwelekeo huo, lakini mchango wake ni mdogo kwa sababu ya ukubwa mkubwa wa ioni.
• Kwa kuwa I⁻ hutumiwa katika posoliti, I⁻ inaweza kuwa na mwelekeo wa kudifyuzi kutoka negoliti kwenda posoliti.
• I₃⁻ inaweza kudifyuzi katika mwelekeo wa kinyume; hata hivyo, Donnan exclusion ya CEM huzuia sana kupita kwa anioni.
• Maji yanaweza kusafirishwa hasa kuelekea upande wa negoliti kwa sababu ya electro-osmotic drag na tofauti za shinikizo la osmotiki.

Ingawa mielekeo ya mtiririko wakati wa kuchaji na kutoa chaji kwa nadharia inaweza kubadilika, kutokana na miitikio ya pembeni na muda tofauti, uwiano halisi huenda usifungike kikamilifu. Katika mizunguko mirefu hali hii inaweza kuchangia kuongezeka kwa ujazo wa negoliti na kupungua kwa ujazo wa posoliti.

Mbinu ya mikro-CT

Sampuli za felt ya grafiti hasi zilizopakwa Zn zilitayarishwa kwa ukubwa wa takriban 50 × 40 × 5,5 mm. Vipimo vya X-ray mikro-CT vilifanywa kwa mfumo wa Fraunhofer CT portable 160.90.

Kwa uchambuzi wa takwimu wa porositi, data ziliunganishwa katika vitalu vya voxel 100 × 100 × 4 na kutathminiwa kwa ukubwa tendaji wa voxel wa takriban 2,2 mm × 2,2 mm × 0,1 mm.

Upigaji picha wa macho wa konfokali

Ili kuchunguza muundo wa Zn kwenye uso wa felt ya grafiti, ilitumika mikroskopu ya konfokali ya skani ya leza Keyence VK-X3000. Katika utafiti, picha zilipatikana kwa mwanga mweupe wa LED uliounganishwa badala ya leza ya 404 nm ya kifaa.

Kulingana na eneo la kuvutiwa, ilitumika objective ya 2,5× na optical zoom ya 0,7 au objective ya 20× na optical zoom ya 1,0. Chanzo kinaripoti mpangilio wa mwangaza wa upigaji picha kuwa 82.

Kwa kuwa picha hizi halisi za mikroskopi ni ushahidi wa majaribio, hazikuzalishwa upya kwa njia bandia katika HTML ya Verianla.

Jaribio la shinikizo la membrani

Nusu ya sehemu ya seli iliwekewa N₂ katika masafa ya shinikizo la ziada la 100–600 mbar, saketi ikafungwa na kushuka kwa shinikizo la ndani kukafuatiliwa. Kutovuja kwa membrani kulitathminiwa kwa mabadiliko ya mteremko wa shinikizo–muda katika vipindi vya vipimo vya dakika tano.

Tofauti ya upotevu wa shinikizo ya takriban 0,01 na 0,32 mbar s⁻¹ kati ya membrani mpya na ile ya baada ya majaribio, pamoja na data za kielektrokemia na mgawanyo wa Zn, inaunga mkono tafsiri ya kutoboka kwa membrani.

Mbinu za EIS

Kuondoa ZnI2 kutoka posoliti kulionyesha nini?

Wakati ZnI₂ haikuwepo katika posoliti, usambazaji wa ziada wa Zn²⁺ kutoka posoliti kwenda negoliti uliondolewa. Chini ya hali ya GEIS_LOAD, voltaic bulge ilihamia kwenye thamani kubwa zaidi ya \(Q_{\mathrm{areal}}\), karibu 150 mAh cm⁻².

Matokeo haya yanaunga mkono kwamba Zn²⁺ iliyopo katika posoliti inaweza kutoa Zn ya ziada kwa nusu-seli hasi katika uwezo mkubwa, na hivyo kurahisisha uwekaji kompakt wa Zn na kuanza kwa bulge.

Hata hivyo, miundo tofauti ya awali ya elektroliti ilisababisha kutolingana kubwa kwa muundo kwa muda mrefu kutokana na kuvukana kwa maji, spishi hai na ioni. Kwa hiyo kuondoa ZnI₂ kutoka posoliti hakuchukuliwi na chanzo kama suluhisho la muda mrefu linaloweza kutekelezwa.

Kwa nini mchakato wa electrolyte remix haukutosha?

Katika mchakato wa electrolyte remix, seli ilitolewa chaji kikamilifu, miunganisho ya kutoka ya nusu-seli mbili ikabadilishwa na elektroliti zikachanganywa kwa nguvu kwa dakika 30 ili kukaribia muundo sawa wa awali.

Mchakato huu unaweza kupunguza kutolingana kwa muundo wa elektroliti na kusaidia Zn iliyobaki kuyeyuka kwa I₃⁻. Hata hivyo, CE ilibaki chini katika mizunguko iliyofuata.

Kuweka elektroliti mpya kabisa pia hakukurejesha CE ya awali. Uchunguzi huu ulionyesha kuwa uharibifu wa kudumu haukuwa katika maudhui ya elektroliti pekee.

Kubadilisha CEM kulionyesha nini?

CEM iliyoharibika ilipobadilishwa kwa membrani mpya na jaribio kuendelea huku vipengele vingine vikihifadhiwa, CE ilipanda tena hadi takriban %90.

Jaribio hili linaunga mkono moja kwa moja tafsiri kwamba upotevu wa utendaji usioweza kurekebishwa baada ya voltaic bulge unatokana kwa kiasi kikubwa na uharibifu wa CEM.

Hata hivyo, kazi ilipoendelea kwa uwezo mkubwa wa eneo kwa membrani mpya, voltaic bulge ilitokea tena. Kwa maneno mengine, kubadilisha CEM ni hatua ya ukarabati; si mkakati wa kuzuia unaoondoa chanzo cha uwekaji wa Zn.

Je, felt isiyopitisha umeme ilikuwa suluhisho?

Chanzo kilijaribu mipangilio miwili tofauti ya NCF:

• NCF_NEG: katika nusu-seli hasi, felt ya polima isiyopitisha umeme iliyo karibu na CEM.
• NCF_POS: katika nusu-seli chanya, felt ya polima isiyopitisha umeme iliyo karibu na CEM.

NCF_NEG ilitumika kwa lengo la kuweka eneo la uwekaji wa Zn mbali kimwili na CEM. Hata hivyo, katika msongamano mkubwa wa mkondo kama 100 mA cm⁻², ukuaji usio sare wa Zn ulitokea ndani ya NCF na CE ilikuwa chini kwa takriban pointi 3–4 za asilimia ikilinganishwa na seli ya kawaida.

NCF_POS ilitoa utengaji wa kielektroni upande chanya wa CEM, lakini iliongeza upinzani wa ohmic na kupunguza ufanisi wa volteji.

Katika mipangilio yote miwili ya NCF, voltaic bulge ilionekana karibu na \(Q_{\mathrm{areal}}\) ileile ya muundo wa kawaida. Kwa hiyo utafiti haukuonyesha kuwa usanidi wa NCF uliojaribiwa uliongeza uwezo muhimu wa eneo wa Zn.

Katika Utafiti Huu Utendaji Thabiti wa ZIHFB wa Muda wa Kati Ulipatikana Vipi?

Katika mfumo uliotumiwa na chanzo, uthabiti wa muda wa kati ulipatikana kwa kuweka uwezo wa eneo wa kuchaji kuwa 80 mAh cm⁻², kuweka volteji ya juu ya kuchaji kuwa 1,55 V, na kuunganisha matangi ya posoliti na negoliti kwa hydraulic shunt ili kupunguza kwa kuendelea kutolingana kwa ujazo na muundo wa elektroliti.

Hydraulic shunt hufanya nini?

Hydraulic shunt (HS), ni kiunganishi cha majimaji kinachounganisha sehemu za chini za matangi mawili ya elektroliti kwa njia nyembamba ya kapilari.

Wakati wa kuchaji kupitia CEM, usafirishaji halisi wa ioni na maji kutoka posoliti kwenda negoliti unapotokea, viwango vya matangi vinaweza kutengana kadiri muda unavyopita. HS husawazisha sehemu ya mabadiliko haya ya ujazo kwa mtiririko wa majimaji katika mwelekeo wa kinyume.

HS pia husaidia kusawazisha kwa sehemu miundo ya elektroliti. Chanzo kinapendekeza kwamba I₃⁻ kufika kwenye negoliti kupitia HS kunaweza kuyeyusha sehemu ya Zn iliyowekwa wakati wa kutoa chaji na kupunguza kuongezeka kwa mkusanyiko wa Zn katika nusu-seli hasi katika mizunguko.

Faida hii ina gharama: kwa kuwa mmenyuko wa kikemia wa I₃⁻ na Zn husababisha kujitoa chaji yenyewe, HS inaweza kuleta hasara katika coulombic efficiency. Kwa hiyo HS si suluhisho “lisilo na hasara”; ni mkakati wa kusawazisha unaodhibiti mkusanyiko wa Zn na hatari ya uharibifu wa membrani katika muundo huu wa seli.

Kwa nini mipaka salama pekee haikutosha bila HS?

Katika chanzo, wakati mipaka ya usalama ya 80 mAh cm⁻² na 1,55 V ilitumika bila HS, seli ilifanya kazi kwa usalama zaidi mwanzoni; hata hivyo, kwa sababu Zn haikuyeyuka kikamilifu wakati wa kutoa chaji, mkusanyiko wa Zn katika nusu-seli hasi uliendelea kutoka mzunguko hadi mzunguko.

Mizunguko ya mara kwa mara ya full CC–CV formatting iliyeyusha Zn iliyokusanyika na kuboresha CE kwa muda. Hata hivyo, baada ya takriban mizunguko 48 na takriban saa 80, voltaic bulge ilitokea tena na seli ikaharibika bila kurekebishika.

Matokeo yaliyoboreshwa kwa HS

HS ilipotumiwa, ujazo wa matangi ulisawazishwa kwa kuendelea na seli iliweza kuendeshwa kwa takriban mizunguko 70 bila uharibifu dhahiri wa utendaji.

Katika muhtasari wa matokeo wa chanzo, mfumo ulioboreshwa uliripotiwa kuwa na:

• msongamano wa mkondo: 100 mA cm⁻²,
• \(Q_{\mathrm{areal}}\) ya juu: 80 mAh cm⁻²,
• volteji ya juu ya kuchaji: 1,55 V,
• CE: ≥ %95,
• EE: > %83,
• upotevu wa uwezo: %0,02 mzunguko⁻¹

.

Katika mjadala wa matokeo wa chanzo, ufanisi wa volteji wa jaribio hilo hilo lililoboreshwa pia umeelezwa kuwa zaidi ya %87. Kubaki kwa CE na VE katika viwango vya juu kwa pamoja kunaendana na EE kubaki zaidi ya %83.

Kwa nini kikomo cha 80 mAh cm−2 kilichaguliwa?

Katika seli ya kawaida, voltaic bulge ilitokea kwa kawaida katika masafa ya takriban 115–130 mAh cm⁻². Watafiti walichagua thamani ya 80 mAh cm⁻² chini ya masafa haya muhimu kwa jaribio salama la mizunguko la muda wa kati.

Thamani hii si kikomo cha usalama cha ulimwengu wote kwa mifumo yote ya ZIHFB. Ikiwa jiometri ya seli, unene wa elektrodi, mgawanyo wa Zn, eneo la mtiririko wa elektroliti, msongamano wa mkondo, halijoto na sifa za nyenzo hubadilika, kikomo salama cha \(Q_{\mathrm{areal}}\) pia kinaweza kubadilika.

Matokeo yanayoungwa mkono na utafiti

• Katika seli ya kawaida ya maabara, \(Q_{\mathrm{areal}}\) kubwa inahusishwa na voltaic bulge na upotevu wa utendaji usioweza kurekebishwa.
• Zn haikusambaa kwa usawa katika ujazo wa felt ya grafiti hasi; ilijikusanya katika eneo karibu na membrani.
• Uwekaji kompakt wa Zn karibu na membrani ulipunguza sana porositi ya ndani na eneo la usafirishaji wa ioni.
• Ongezeko la \(ASR_{CT}\) katika EIS liliendelea pamoja na bulge ya volteji.
• Ukuaji wa dendriti za Zn na kutoboka kwa CEM ni hatua muhimu za mekanizimu ya uharibifu.
• Jaribio la shinikizo lilionyesha kuwa kutovuja kwa membrani kuliharibika wazi baada ya mizunguko.
• Electrolyte remix au elektroliti mpya pekee hazikurejesha utendaji wa awali.
• Kubadilisha CEM kulirejesha CE hadi takriban %90 na kuunga mkono uhusiano wa uharibifu wa kudumu na membrani.
• Mipangilio ya NCFNEG na NCFPOS iliyojaribiwa haikuongeza thamani muhimu ya \(Q_{\mathrm{areal}}\).
• Mchanganyiko wa HS + 80 mAh cm⁻² + kikomo cha 1,55 V ulipatia seli hii ya majaribio utendaji thabiti wa muda wa kati.

Matokeo yasiyoungwa mkono na utafiti

• Masafa ya 115–130 mAh cm⁻² si kizingiti cha ulimwengu wote cha dendriti au uharibifu wa membrani kwa miundo yote ya ZIHFB.
• 80 mAh cm⁻² si uwezo salama wa ulimwengu wote kwa betri zote za mtiririko za zinki.
• Haijaonyeshwa kwamba HS ndiyo suluhisho bora katika usanifu wote wa ZIHFB.
• Haiwezi kuhitimishwa kwamba mbinu ya NCF haifanyi kazi kwa ujumla; ni katika usanidi wa NCF wa utafiti huu pekee ambapo uwezo muhimu haukuongezeka.
• Uthabiti wa maabara wa muda wa kati wa mizunguko 70 hauthibitishi kuwa mfumo wa kibiashara utafanya kazi kwa miaka mingi.
• Utafiti huu haukufanya uthibitishaji wa shambani wa stack kamili au wa kiwango cha gridi.
• Kiasi cha Zn katika ramani ya porositi ya mikro-CT si uchambuzi wa moja kwa moja wa elementi ya kikemia; kimehesabiwa kwa kutumia uwezo, sheria ya Faraday, msongamano tendaji wa Zn na mgawanyo wa ishara ya CT.
• Chanzo hakihusishi mabadiliko yote ya \(ASR_{CT}\) na upinzani wa uhamisho wa chaji wa elektrodi pekee; michakato mingi inaweza kuwepo katika tabia ya masafa ya kati.

Vikwazo vikuu vya utafiti

• Utafiti ulifanywa katika seli moja ya kiwango cha maabara.
• Matokeo yanategemea jiometri maalum ya seli, felt ya grafiti, CEM na fomula ya elektroliti.
• Halijoto ya kawaida ya jaribio ni 40 °C; masafa mapana ya halijoto hayakuchunguzwa.
• Msongamano mkuu wa mkondo ni 100 mA cm⁻²; uwezo muhimu unaweza kubadilika katika misongamano tofauti ya mkondo.
• Hesabu ya ujazo wa Zn kwa mikro-CT hutumia dhana ya ufanisi wa mkondo wa %100 na msongamano tendaji sawa na mara 0,7 ya msongamano wa Zn ya metali.
• PEIS_OCV kipimo kilibadilisha hali ya mfumo kutokana na muda mrefu wa kusubiri na kikaonekana kuwa na kikomo kwa ufuatiliaji wa moja kwa moja wa mekanizimu ya bulge.
• Athari za HS kwa uendeshaji wa miaka mingi, stack kubwa, matengenezo, usalama na uchumi hazijajaribiwa.
• Waandishi wanaeleza kuwa ili kufikia uwezo salama wa eneo wa juu zaidi, kemia ya uso, upitishaji na tekstura ya elektrodi hasi ya 3D vinahitaji kuboreshwa.

Hitimisho muhimu zaidi kisayansi

Mchango mkuu wa utafiti si kuonyesha tu protokali thabiti zaidi ya mizunguko. Mchango halisi ni kuunganisha umbo la volteji linaloonekana la voltaic bulge katika ZIHFB na mgawanyo wa kifizikia wa Zn katika elektrodi hasi, upotevu wa porositi karibu na membrani, mabadiliko ya impedansi na kupotea kwa kutovuja kwa CEM ndani ya mekanizimu moja ya majaribio.

Mekanizimu hii inaonyesha kuwa uwezo salama wa eneo haupaswi kutathminiwa tu kwa swali la “mAh cm⁻² ngapi zilichajiwa”, bali pia kwa kuzingatia Zn ndani ya elektrodi ya pande tatu imewekwa wapi na kwa usawa kiasi gani.

Maelezo ya Chanzo na Mbinu

Utafiti asilia: Understanding the degradation process in zinc–iodine hybrid flow batteries

Waandishi: Přemysl Richtr; David Gráf; Martin Drnec; Jiří Charvát; Martin Bureš; Ondřej Navrátil; Jaromír Pocedič; Juraj Kosek; Petr Mazúr.

Mwandishi anayewasiliana: Petr Mazúr.

Mchango sawa: Hakuna taarifa ya uandishi mwenza wa kwanza au mchango sawa katika chanzo.

Taasisi: University of Chemistry and Technology Prague, Department of Chemical Engineering, Prague, Czech Republic; Pinflow Energy Storage, s.r.o., Prague, Czech Republic; New Technologies – Research Centre, University of West Bohemia, Plzeň, Czech Republic.

Jarida: Journal of Materials Chemistry A.

Mchapishaji: Royal Society of Chemistry.

Juzuu / kurasa: 14 / 4529–4545.

DOI: 10.1039/D5TA07792C.

Tarehe ya kupokelewa: 23 Septemba 2025.

Tarehe ya kukubaliwa: 8 Desemba 2025.

Kuchapishwa kwa kwanza mtandaoni: 9 Desemba 2025.

Mwaka wa uchapishaji wa kibibliografia: 2026.

Aina ya chanzo: Makala ya utafiti wa majaribio wa kiwango cha maabara kuhusu uhifadhi wa nishati wa kielektrokemia na betri za mtiririko.

Hali ya uhakiki: Makala ya utafiti iliyopitiwa na wataalamu na kuchapishwa katika Journal of Materials Chemistry A.

Leseni: Creative Commons Attribution 3.0 Unported (CC BY 3.0).

Kiungo rasmi: https://doi.org/10.1039/D5TA07792C

Upatikanaji wa data: Data za utafiti za makala zimetolewa katika Zenodo chini ya DOI 10.5281/zenodo.17175636 kama rekodi ya data. Chanzo kinaeleza kuwa DOI hii ndiyo rekodi ya sasa inayoelekeza kwenye matoleo yote.

Maelezo ya ziada: Supplementary Information inapatikana kupitia ukurasa wa rekodi wa RSC wa DOI ya makala.

Ufadhili: Mradi “The Energy Conversion and Storage”, CZ.02.01.01/00/22_008/0004617, Programme Johannes Amos Comenius – Excellent Research; programu ya TAČR TREND, FW06010097; Specific University Research A1_FCHI_2024_04 na A2_FCHI_2025_014.

Mgongano wa maslahi: Waandishi wanatangaza kuwa hakuna mgongano wa maslahi.

Michango ya waandishi: Přemysl Richtr: rasimu ya kwanza, utafiti, uchambuzi rasmi, uthibitishaji, mbinu, uundaji wa dhana, kuratibu data, mapitio/uhariri. David Gráf: utafiti, uoneshaji, mapitio/uhariri. Martin Drnec: utafiti. Jiří Charvát: uundaji wa dhana, mapitio/uhariri. Martin Bureš: programu na mapitio/uhariri. Ondřej Navrátil: uundaji wa dhana. Jaromír Pocedič: ushauri na uundaji wa dhana. Juraj Kosek: usimamizi wa mradi na upatikanaji wa ufadhili. Petr Mazúr: usimamizi wa mradi, ushauri, upatikanaji wa ufadhili, mapitio/uhariri, rasilimali na uundaji wa dhana.

Mfumo mkuu wa majaribio: Seli moja ya ZIHFB ya kiwango cha maabara yenye eneo la kijiometri la elektrodi la 20 cm²; elektrodi za felt ya grafiti na membrani ya kubadilishana kationi.

Elektroliti ya kawaida: 1 mol dm⁻³ ZnI₂, 4 mol dm⁻³ KI na 1,5 mol dm⁻³ KCl.

Hali kuu za uendeshaji: 40 °C; 0,08 dm³ dk⁻¹ mtiririko wa elektroliti; 100 mA cm⁻².

Mbinu kuu: kuchaji/kutoa chaji kwa galvanostatic na galvanostatic–potentiostatic, PEIS_OCV, GEIS_LOAD, ufuatiliaji wa potenshali ya elektrodi rejea, X-ray mikro-CT, upigaji picha wa macho wa konfokali na jaribio la kutovuja kwa membrani kwa kushuka kwa shinikizo.

Mekanizimu kuu: uwekaji kompakt wa Zn karibu na membrani → kupungua kwa porositi ya ndani → usafirishaji wa ioni kuzuiwa → kuongezeka kwa msongamano wa mkondo wa ndani na overpotential ya seli → ukuaji wa dendriti → kutoboka kwa CEM → upotevu usioweza kurekebishwa wa coulombic efficiency.

Kikomo cha tafsiri: Masafa muhimu ya bulge ya 115–130 mAh cm⁻² na kikomo salama cha uendeshaji cha 80 mAh cm⁻² vinahusu usanidi huu wa seli ya majaribio; si thamani za ulimwengu wote kwa ZIHFB zote.

Kikomo cha tafsiri ya uthabiti: Chini ya hali zilizoboreshwa, uthabiti wa maabara wa muda wa kati wa takriban mizunguko 70 umeonyeshwa. Matokeo haya hayathibitishi maisha ya miaka mingi ya matumizi ya kibiashara shambani, uaminifu wa stack ya kiwango kamili au uwezekano wa kiuchumi.