Альтернатива литию: для безопасных водных цинк-ионных аккумуляторов разработан электрод емкостью 368,7 мА·ч/г

Инженеры из Корейского института передовых технологий (KAIST) спроектировали инновационный электрод для водных цинк-ионных элементов питания. Разработка позволяет нарастить энергоемкость без ущерба для скорости зарядки благодаря поэтапному внедрению двух типов носителей: первыми накапливаются ионы цинка, а вслед за ними — протоны.

Водные цинк-ионные батареи выступают многообещающей заменой литий-ионным аналогам в сфере стационарного хранения энергии. Применение пожаробезопасного электролита на водной основе и доступного сырья делает их надежнее и экономически привлекательнее традиционных решений. Тем не менее развитию технологии препятствовали скромная плотность энергии и быстрая деградация при форсированном заряде.

Серьезным барьером долгое время оставались высокоподвижные протоны водной среды. Провоцируя паразитные химические процессы, они приводили к образованию нежелательных соединений на поверхности электрода и резкому падению характеристик источника тока.

Команда KAIST решила использовать активность протонов во благо, превратив их в дополнительный механизм накопления энергии. Для этого ученые синтезировали двумерный металлоорганический каркас (MOF) — пористый матричный материал, состоящий из металлических узлов и органических молекул.

В нанопоры структуры исследователи интегрировали потенциал-зависимые аминогруппы. На начальном этапе при повышенном напряжении электрод поглощает относительно крупные ионы цинка. При снижении напряжения активируются аминогруппы, позволяя более компактным и подвижным протонам заполнить оставшиеся пустоты.

Авторы работы сравнивают этот процесс с наполнением сосуда: если сначала засыпать крупные камни, а затем заполнить промежутки песком, полезный объем расходуется с максимальной отдачей. Такая схема оптимизирует использование пространства электрода и одновременно подавляет паразитные реакции.

Экспериментальный образец продемонстрировал удельную емкость 368,7 мА·ч/г. При 16-кратном ускорении процесса заряда и разряда материал сохранил 46,9% исходной емкости, успешно выдержав более 500 быстрых циклов. Рентгеноструктурный анализ подтвердил строгую очередность: сначала аккумулируются ионы цинка, а затем — протоны.

По мнению исследователей, фундаментальное значение имеет не только конкретный состав электрода, но и сама концепция регулируемой очередности захвата ионов. В перспективе данный принцип можно перенести на другие типы материалов для создания мощных, емких и безопасных водных батарей.

Разработка ориентирована преимущественно на стационарные комплексы энергосетей и сферу возобновляемой энергетики, где абсолютная масса не столь критична, как в электромобилях. В этих сегментах ключевыми факторами являются пожарная безопасность водного электролита, распространенность компонентов и низкая итоговая стоимость систем.

Источник: iXBT