Альтернативой литий-ионной батарее станет цинк-металлическая с электролитом на основе воды

Мир нуждается в дешевых и мощных батареях, которые могут хранить устойчиво производимую электроэнергию из ветра или солнечного света, чтобы мы могли использовать ее всякий раз, когда она нам нужна, даже когда на улице темно или нет ветра. Наиболее распространенными батареями, которые питают наши смартфоны и электромобили, являются литий-ионные аккумуляторы. Они довольно дорогие, потому что мировой спрос на литий растет. Кроме того эти батареи пожароопасны и не слишком долговечны.


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.



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.


— 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.


— Мария Лукацкая.