Новые металлические цинковые батареи могут быть дешевыми, эффективными, долговечными, безопасными и экологически чистыми.
Миру нужны дешевые и мощные аккумуляторы, которые могут хранить электроэнергию, произведенную с помощью ветра или солнечного света, чтобы мы могли использовать ее, когда нам это нужно, даже когда на улице темно или нет ветра. Наиболее распространенными аккумуляторами для наших смартфонов и электромобилей являются литий-ионные аккумуляторы. Они довольно дороги, потому что мировой спрос на литий стремительно растет, и эти батареи также легко воспламеняются.
Цинковые батареи на водной основе предлагают многообещающую альтернативу этим литий-ионным батареям . Международная группа исследователей во главе с ETH Zurich разработала стратегию, которая обеспечивает ключевые достижения в разработке таких цинковых батарей, делая их более мощными, безопасными и экологически чистыми.
Долговечность – это вызов
Цинковые батареи имеют ряд преимуществ: цинка много, он дешев и имеет развитую инфраструктуру по переработке. Кроме того, цинковые батареи могут хранить много электроэнергии. Что наиболее важно, цинковые батареи не обязательно требуют использования легковоспламеняющихся органических растворителей в качестве электролитной жидкости, поскольку вместо этого они также могут быть изготовлены с использованием электролитов на водной основе.
Если бы только не было проблем, с которыми приходится сталкиваться инженерам при разработке этих аккумуляторов: когда цинковые аккумуляторы заряжаются высоким напряжением , вода в жидком электролите вступает в реакцию на одном из электродов с образованием газообразного водорода. Когда это происходит, количество электролита уменьшается, и производительность батареи снижается. Кроме того, эта реакция вызывает накопление избыточного давления в аккумуляторе, что может быть опасно. Другой проблемой является образование остроконечных отложений цинка во время зарядки аккумулятора, известных как дендриты, которые могут пробить аккумулятор и в худшем случае даже вызвать короткое замыкание и вывести аккумулятор из строя.
Соли делают батареи токсичными
В последние годы инженеры придерживались стратегии обогащения водного жидкого электролита солями, чтобы содержание воды было как можно ниже. Но у этого есть и недостатки: он делает жидкость электролита 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 ETH Zurich, теперь объединила усилия с коллегами из нескольких исследовательских институтов в США 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 один положительный ион соли. Выводы опубликованы в журнале Energy & Environmental Science.
Длительная работа и быстрая зарядка
Более того, исследователи не использовали для своих улучшений какие-либо вредные для окружающей среды соли, вместо этого выбрав экологически чистые соли уксусной кислоты, называемые ацетатами. «С идеальной концентрацией ацетатов мы смогли свести к минимуму истощение электролитов и предотвратить образование цинковых дендритов так же, как это делали ранее другие ученые с высокими концентрациями токсичных солей», — говорит Дарио Гомес Васкес, аспирант группы Лукацкой и ведущий автор исследования. изучение. «Более того, с нашим подходом аккумуляторы можно заряжать и разряжать гораздо быстрее».
До сих пор исследователи ETH тестировали свою новую стратегию работы с батареями в относительно небольшом лабораторном масштабе. Следующим шагом будет масштабирование подхода и проверка возможности его применения для больших батарей. В идеале их можно было бы однажды использовать в качестве накопителей в энергосистеме, скажем , для компенсации колебаний, или в подвалах домов на одну семью, чтобы солнечная энергия , произведенная в течение дня, могла использоваться вечером.
Как объясняет профессор ЕТН Лукацкая, перед тем, как цинковые батареи будут готовы к выходу на рынок, предстоит решить еще некоторые проблемы: батареи состоят из двух электродов — анода и катода — и электролитной жидкости между ними. «Мы показали, что путем подбора состава электролита можно обеспечить эффективную зарядку цинковых анодов», — говорит она. «Однако в дальнейшем материалы катодов должны быть оптимизированы, чтобы создавать долговечные и эффективные цинковые батареи».
