«Камни, потом песок»: необычный принцип помог улучшить цинк-ионные батареи
Исследователи Корейского института передовых технологий KAIST разработали новый электрод для водных цинк-ионных аккумуляторов, который позволяет увеличить емкость и одновременно сохранить высокую скорость зарядки. Ключом стала необычная последовательность накопления двух типов частиц — сначала ионов цинка, а затем протонов.
Водные цинк-ионные батареи рассматриваются как перспективная альтернатива литий-ионным аккумуляторам для стационарных систем хранения энергии. Они используют негорючий электролит на основе воды и сравнительно дешевый цинк, благодаря чему потенциально могут быть безопаснее и дешевле традиционных литиевых систем. Однако развитию технологии мешают недостаточная энергоемкость и проблемы при быстрой зарядке.
Особенно сложными считались протоны, присутствующие в водном электролите. Они отличаются высокой подвижностью и могут участвовать в нежелательных реакциях, приводящих к образованию побочных продуктов на поверхности электрода и ухудшению характеристик аккумулятора.
Команда KAIST решила не блокировать протоны, а превратить их в дополнительный механизм хранения энергии. Для этого ученые создали двумерный металлоорганический каркас — такие материалы представляют собой пористые структуры, сформированные из ионов металлов и органических молекул.
В микроскопические поры материала исследователи встроили специальные аминогруппы, работа которых зависит от напряжения. При более высоком напряжении электрод сначала принимает относительно крупные ионы цинка. Когда напряжение снижается, активируются аминогруппы, после чего оставшееся свободное пространство заполняют более мелкие и быстро движущиеся протоны.
Исследователи сравнивают принцип с заполнением сосуда: сначала в него помещают крупные камни, а затем оставшиеся промежутки заполняют песком. Такой порядок позволяет эффективнее задействовать объем электрода и одновременно снижает вероятность нежелательных реакций.
Экспериментальный электрод продемонстрировал удельную емкость 368,7 мА·ч/г. Даже при увеличении скорости зарядки и разрядки в 16 раз он сохранял 46,9% первоначальной емкости и выдержал более 500 быстрых циклов. Рентгеновские исследования подтвердили, что в процессе работы действительно последовательно накапливаются сначала ионы цинка, а затем протоны.
Исследователи считают, что важен не только конкретный материал, но и сам принцип управления очередностью накопления различных ионов. В перспективе такой подход можно перенести на другие электроды и создать водные аккумуляторы, сочетающие высокую емкость с быстрой зарядкой.
Разработка в первую очередь ориентирована не на электромобили, где критична масса аккумулятора, а на стационарные накопители для энергосетей и возобновляемой энергетики. В этой сфере преимущества водного негорючего электролита, доступного сырья и потенциально низкой стоимости особенно значимы.