Учёные-химики в Австралии разработали новый тип электролита, который сочетает в себе две разные соли для повышения производительности безопасных и доступных перезаряжаемых водных цинковых батарей (ВЗБ).
Согласно новому исследованию, опубликованному в журнале Nature Sustainability, аккумуляторные элементы в виде пакетов, изготовленные с использованием этого электролита, сохранили 93% своей ёмкости после 900 циклов зарядки-разрядки при температуре 25 °C и функционировали в диапазоне температур от −40 до 40 °C.
ВЗБ — перспективная альтернатива литий-ионным батареям, которые широко используются, но страдают от ограничений поставок лития и проблем с безопасностью из-за воспламеняющихся электролитов.
«ВЗБ используют жидкость на водной основе, обычно воду с растворёнными цинковыми солями в качестве электролита и металлический цинк в качестве анода», — объясняет профессор Зайпинг Го из Школы химической инженерии Университета Аделаиды, который руководил исследованием.
«Жидкость на водной основе не воспламеняется, что делает её намного безопаснее других батарей. Они также являются многообещающей альтернативой из-за обилия цинка как ресурса, его низкого воздействия на окружающую среду и высокой объёмной ёмкости батареи».
Команда Го разработала новый электролит с разделёнными солями (DDSE) для решения ключевых проблем, связанных с ВЗБ. Коммерциализации мешает короткий срок службы из-за узкого диапазона рабочих температур и неконтролируемых реакций между цинком и электролитами, которые выделяют легковоспламеняющийся газообразный водород и приводят к коррозии батареи.
«Один тип соли помогает батарее хорошо работать при разных температурах и улучшает скорость зарядки, а другой тип помогает защитить металлический цинк внутри батареи, продлевая срок её службы», — говорит первый автор Гуаньцзе Ли.
«Вместе они обеспечивают батарее очень хорошие характеристики. Она может быстро заряжаться и работать в течение многих циклов в широком диапазоне температур с очень небольшими потерями энергии, когда не используется».
В DDSE первая соль, такая как перхлорат цинка Zn(ClO4)2, остаётся в основном в жидкости и контролирует, как батарея справляется с замерзанием и как быстро движутся ионы.
Вторая соль, такая как сульфат цинка ZnSO4, прилипает к поверхности металлического цинка и защищает его от повреждений. Поскольку каждая соль остаётся в своей зоне и выполняет свою работу, батарея в целом работает намного лучше.
Пакетированные батареи сохранили 100% ёмкости более чем на 3000 циклов при температуре −40 °C и 91% ёмкости после 300 циклов при 40 °C.
«Это первый раз, когда в нашей области была достигнута такая хорошо сбалансированная производительность», — говорит соавтор доктор Шилин Чжан.
«В отличие от традиционных конструкций с «тощей водой» с использованием высококонцентрированных или органо-водных гибридных электролитов, наша стратегия разделения приводит к созданию невоспламеняемого, доступного и устойчивого состава электролита, сохраняющего присущие водным системам достоинства.
«Этот подход открывает чёткий путь к практическому внедрению ВЗБ в интеллектуальных сетях и электромобилях, что, в свою очередь, предлагает странам более безопасную и устойчивую энергетику.
«Наш следующий шаг — попробовать этот электролит в более практических системах батарей. Мы хотим доработать рецепт, а также улучшить другие компоненты батарей, чтобы создать настоящий прототип батареи с длительным сроком службы, высокой плотностью энергии и низкой стоимостью».