Перезаряжаемые литий-ионные батареи питают все, от электромобилей до носимых устройств. Но новое исследование Университета Case Western Reserve предполагает, что более устойчивой и экономически эффективной альтернативой могут быть батареи на основе цинка.
В исследовании, опубликованном в журнале Angewandte Chemie, исследователи объявили о значительном шаге на пути к созданию высокопроизводительных и недорогих цинк-серных аккумуляторов.
«Это исследование знаменует собой важный шаг вперед в разработке более безопасных и устойчивых решений для хранения энергии», — сказал Чейз Као, главный исследователь и доцент кафедры машиностроения и аэрокосмической техники в Школе инженерии Кейса.
«Водные цинк-серные батареи обладают потенциалом для питания широкого спектра устройств — от систем возобновляемой энергии до портативной электроники — с уменьшенным воздействием на окружающую среду и зависимостью от дефицитных материалов».
Литий-ионные батареи, хотя и широко используются, дороги, используют относительно редкие материалы и сложны в производстве. Напротив, цинк-серные батареи используют более распространенные и недорогие материалы и имеют меньше проблем с экологией и безопасностью.
Однако такие проблемы , как коррозия цинкового анода, низкая проводимость и рост дендритов, исторически препятствовали их коммерческой жизнеспособности.
Команда Цао преодолела эти препятствия, внедрив две ключевые добавки: пропиленгликольметиловый эфир и цинк-йодид. Эта технология обеспечила несколько важных улучшений: повышенную энергоемкость на 20%, улучшенную проводимость и стабильность и подавление роста цинковых дендритов.
Если дендриты соединят положительные и отрицательные полюса батареи, может произойти короткое замыкание и возникнуть пожар — еще одна серьезная проблема с литий-ионными батареями .
«Эти добавки не только повышают эффективность аккумулятора, но и решают давние проблемы безопасности, смягчая образование дендритов», — сказал Гуйинь Сюй, профессор Университета Дунхуа в Шанхае и соавтор исследования. «В результате получается компактный аккумулятор с более высокой плотностью, который можно заряжать большее количество раз без существенной деградации».
Последствия этого прорыва выходят за рамки доступности и безопасности. Цинк-серные батареи имеют более высокую плотность энергии, чем литий-ионные аналоги, что позволяет создавать более компактные и долговечные конструкции. Это может стать преобразующим фактором для возобновляемых источников энергии и устройств, требующих надежности и эффективности.
Основной интерес Цао в разработке лучших батарей направлен на новую мягкую робототехнику и передовые сенсорные системы, обе из которых полагаются на батареи большой емкости и длительного срока службы. Например, он разрабатывает биологически вдохновленных плавающих роботов , чья выносливость зависит от прочных и легких батарей, которые могут питать длительные миссии без сбоев — робот не может разрядиться в середине миссии или никогда не вернется.
Цао, который руководит Лабораторией мягких машин и электроники в CWRU, также разрабатывает новые технологии для исследования космоса и сельского хозяйства, а также для удаления вездесущего и опасного космического мусора.
Исследование также проводилось совместно с исследователями из Университета Фудань в Шанхае и Гонконгского университета науки и технологий.