Цинковые аккумуляторы на водной основе являются многообещающей альтернативой этим литий-ионным батареям. Международная группа исследователей, возглавляемая Цюрихским техническим университетом, в настоящее время разработала стратегию, которая обеспечивает ключевые достижения в разработке таких цинковых аккумуляторов, делая их более мощными, безопасными и экологически чистыми.

Долговечность - это непростая задача

У цинковых аккумуляторов есть ряд преимуществ: цинка много, он дешевый и имеет развитую инфраструктуру переработки. Кроме того, цинковые батареи могут накапливать много электроэнергии. Самое главное, что цинковые батареи не обязательно требуют использования легковоспламеняющихся органических растворителей в качестве электролита, поскольку их также можно изготовить с использованием электролитов на водной основе.

Если бы только не было проблем, с которыми приходится сталкиваться инженерам при разработке этих батарей: когда цинковые батареи заряжаются под высоким напряжением, вода в электролите вступает в реакцию на одном из электродов с образованием газообразного водорода. Когда это происходит, количество электролита иссякает и производительность батареи снижается. Кроме того, эта реакция приводит к накоплению избыточного давления в батарее, что может быть опасным. Другой проблемой является образование во время зарядки аккумулятора колючих отложений цинка, 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 придерживались стратегии обогащения водного жидкого электролита солями, чтобы поддерживать содержание воды как можно ниже. Но у этого есть и недостатки: электролит становится вязким, что значительно замедляет процессы зарядки и разрядки. Кроме того, многие используемые соли содержат фтор, что делает их токсичными и вредными для окружающей среды.

Мария Лукацкая, профессор электрохимических энергетических систем в ETH Zurich, теперь объединила усилия с коллегами из нескольких исследовательских институтов в Соединенных Штатах и Швейцарии для систематического поиска идеальной концентрации соли для цинк-ионных аккумуляторов на водной основе. Используя эксперименты, подкрепленные компьютерным моделированием, исследователи смогли выявить, что идеальная концентрация соли не является, как предполагалось ранее, максимально возможной, а относительно низкой: от пяти до десяти молекул воды на положительный ион соли.

Длительная производительность и быстрая зарядка

Более того, исследователи не использовали никаких вредных для окружающей среды солей для своих улучшений, выбрав вместо этого экологически чистые соли уксусной кислоты, называемые ацетатами. "При идеальной концентрации ацетатов мы смогли свести к минимуму истощение электролитов и предотвратить образование цинковых дендритов так же хорошо, как это ранее делали другие ученые при высоких концентрациях токсичных солей", - говорит Дарио Гомес Васкес, докторант группы Лукацкой и ведущий автор исследования. "Более того, благодаря нашему подходу аккумуляторы можно заряжать и разряжать намного быстрее".

До сих пор исследователи ETH тестировали свою новую стратегию работы с батареями в относительно небольших лабораторных масштабах. Следующим шагом будет расширение масштабов этого подхода и выяснение того, можно ли его применить и для больших батарей. В идеале, однажды их можно было бы использовать в качестве накопителей в электросети, скажем, для компенсации колебаний, или в подвалах домов на одну семью, чтобы использовать солнечную энергию, вырабатываемую в течение дня, вечером.

Как объясняет профессор ETH Лукацкая, еще предстоит преодолеть некоторые проблемы, прежде чем цинковые батареи будут готовы к выпуску на рынок: батареи состоят из двух электродов - анода и катода - и жидкого электролита между ними. "Мы показали, что путем настройки состава электролита можно обеспечить эффективную зарядку цинковых анодов", - говорит она. "Однако в дальнейшем для создания долговечных и эффективных цинковых батарей также необходимо будет оптимизировать характеристики катодных материалов".