Цинковые аккумуляторы на водной основе предлагают многообещающую альтернативу литий-ионным батареям. Международная команда исследователей во главе с ETH Zurich разработала стратегию, которая вносит ключевые достижения в разработку цинковых батарей, делая их более мощными, безопасными и экологически чистыми.
Долговечность — это вызов
Цинковые батареи имеют ряд преимуществ: цинк в изобилии, дешев и имеет развитую инфраструктуру переработки. Кроме того, цинковые батареи могут хранить много электроэнергии. Самое главное, цинковые батареи не требуют использования легковоспламеняющихся органических растворителей в качестве электролита, поскольку они могут быть изготовлены с использованием электролитов на водной основе.
И все бы хорошо, если бы не было проблем, с которыми инженеры сталкиваются при разработке этих батарей: когда цинковые батареи заряжаются при высоком напряжении, вода в электролитной жидкости вступает в реакцию на одном из электродов с образованием газообразного водорода. Когда это происходит, жидкость электролита истощается, а производительность батареи снижается.
Процесс образования дендритов
Эта реакция приводит к накоплению избыточного давления в батарее, что может быть опасно. Другой проблемой является образование колючих отложений цинка во время зарядки аккумулятора, известных как дендриты, которые могут пробить батарею насквозь и в худшем случае даже вызвать короткое замыкание и сделать батарею непригодной для использования.
Соли делают батареи токсичными
В последние годы инженеры придерживаются стратегии обогащения водного жидкого электролита солями, чтобы сохранить содержание воды как можно ниже. Но у этого подхода есть и недостатки: он делает электролитную жидкость вязкой, что значительно замедляет процессы зарядки и разрядки. Кроме того, многие из используемых солей содержат фтор, что делает их токсичными и вредными для окружающей среды.
Мария Лукацкая, профессор электрохимических энергетических систем в Швейцарской высшей технической школе Цюриха, объединила усилия с коллегами из нескольких исследовательских институтов в США и Швейцарии для поиска идеальной концентрации солей для цинк-ионных аккумуляторов на водной основе. Используя эксперименты, подкрепленные компьютерным моделированием, исследователи смогли выявить, что идеальная концентрация соли не максимально высокая из возможных, как предполагалось ранее, а относительно низкая: от пяти до десяти молекул воды на положительный ион соли.
Длительная работа и быстрая зарядка
Более того, исследователи не использовали какие-либо вредные для окружающей среды соли для своих улучшений, предпочитая вместо этого экологически чистые соли уксусной кислоты, называемые ацетатами.
С идеальной концентрацией ацетатов мы смогли свести к минимуму истощение электролитов и предотвратить дендриты цинка так же, как это ранее делали другие ученые с высокими концентрациями токсичных солей. Более того, с нашим подходом аккумуляторы можно заряжать и разряжать намного быстрее
— Дарио Гомес Васкес, докторант группы Лукацкой и ведущий автор исследования.
До сих пор исследователи ETH тестировали новую концепцию батареи в относительно небольшом лабораторном масштабе. Следующим шагом будет масштабирование подхода и наблюдение за тем, можно ли его также перенести на большие батареи. В идеале они могут когда-нибудь использоваться в качестве хранилищ в электросети, чтобы компенсировать колебания, или в подвалах частных домов, чтобы солнечная энергия, произведенная в течение дня, могла использоваться вечером.
Есть еще ряд проблем, которые необходимо преодолеть, прежде чем цинковые батареи будут готовы к выходу на рынок.
Мы показали, что, настроив состав электролита, можно обеспечить эффективную зарядку цинковых анодов, однако необходимо оптимизировать также катодные материалы и привести их к высоким эксплуатационным характеристикам для создания долговечных и эффективных цинковых батарей
— Мария Лукацкая.