Инженеры из Мэрилендского университета совместно с коллегами из Брукхейвенской национальной лаборатории разработали инновационную структуру электролита. Она эффективно подавляет рост дендритов и обеспечивает рекордные показатели стабильности для цинковых аккумуляторов.
Команда исследователей под руководством профессора Чуншэна Ванна и доктора Децзяня Дуна нашла способ преодолеть главные недостатки цинковых батарей. Несмотря на их высокую безопасность и доступную цену, такие элементы питания имели короткий срок службы из-за деградации молекул воды и появления дендритов — игольчатых кристаллических структур на аноде, которые нередко становятся причиной короткого замыкания.
Ученым удалось создать низкоконцентрированные водные электролиты, которые по своим характеристикам не уступают дорогостоящим и вязким составам типа «вода в соли» (water-in-salt), но при этом сохраняют высокую электропроводность и низкую стоимость производства.
Фото: Dong et al.
Анионный мостик как ключ к стабильности
Ключевой инновацией стало управление «вторичной сольватной оболочкой». В процессе работы исследователи применили фторированные анионы и соли, обладающие донорными числами выше 18. Благодаря этому сформировалась уникальная молекулярная структура — «вторичная сольватная оболочка с анионными мостиками». В ней отрицательно заряженные ионы связываются не только с ионами цинка, но и с окружающими их молекулами воды.
Подобная архитектура надежно изолирует цинковый анод от нежелательных побочных реакций с водой и способствует созданию стабильной межфазной границы. По заявлению разработчиков, такой подход позволил улучшить все критические параметры электролита, не жертвуя проводимостью ради стабильности.
Результаты испытаний и перспективы
В ходе лабораторных тестов опытные образцы батарей продемонстрировали кулоновскую эффективность на уровне 99,99% при эксплуатации на протяжении более 1 000 циклов. При этом плотность энергии достигала 130 Вт·ч/кг.
Профессор Чуншэн Ванн отметил, что предложенная стратегия проектирования электролитов создает базу для массовой коммерциализации недорогих и безопасных накопителей, которые будут востребованы в секторе солнечной и ветровой энергетики. В ближайшем будущем команда планирует масштабировать технологию для других типов электролитов и детальнее исследовать интерфейсные процессы с помощью передовых методов характеризации.
