Бамбуковый гидрогель обеспечил водному цинк-ионному аккумулятору 1000 циклов и коммерческую долговечность

Группа исследователей из Южно-Китайского технологического университета в Гуанчжоу представила инновационный метод борьбы с деградацией водных цинк-ионных аккумуляторов. Ученые разработали экологически чистый гидрогель на основе бамбуковой целлюлозы, который эффективно предотвращает формирование разрушительных дендритов на электродах.

Ключевой проблемой современных цинк-ионных батарей является рост кристаллических игл — дендритов — в процессе зарядки. Эти образования способны проткнуть внутренний сепаратор, провоцируя короткое замыкание и выводя устройство из строя. В то время как традиционные промышленные мембраны из стекловолокна теряют работоспособность в среднем через 120 часов, новая разработка значительно продлевает ресурс батареи.

В отличие от пассивных барьеров, бамбуковый гидрогель функционирует как «молекулярная магистраль», упорядочивая и ускоряя движение ионов цинка. Технология производства включает растворение микрокристаллической целлюлозы в щелочной среде с добавлением мочевины и последующую полимерную сшивку компонентов с помощью тетрабората натрия (буры).

Структурную целостность материала обеспечивают бамбуковые нановолокна, подвергнутые TEMPO-окислению (с использованием стабильного нитроксильного радикала 2,2,6,6-тетраметилпиперидин-1-оксила). Эти волокна диаметром всего 3 нм обладают высокой концентрацией карбоксильных групп, которые притягивают ионы цинка. В результате нановолокна не только армируют гель, но и создают направленные химические каналы, благодаря которым скорость диффузии ионов возрастает почти вдвое по сравнению со стандартными растительными аналогами.

Несмотря на малую толщину (всего 1 мм), мембрана в четыре раза прочнее классических целлюлозных пленок и сохраняет стабильность в агрессивной среде аккумулятора. В ходе лабораторных тестов ячейки с новым гидрогелем проработали более 1100 часов. Материал демонстрирует отличную устойчивость к интенсивным токам и повышенным температурам (до 45 °C). При циклическом тестировании аккумулятор сохранил около 80% своей первоначальной емкости после 1000 полных циклов.

Морфологический анализ подтвердил, что поверхность цинкового анода под защитой гидрогеля остается ровной (показатель шероховатости Ra ≈ 52 нм), тогда как при использовании обычного жидкого электролита на ней возникают грубые наросты (Ra ≈ 108 нм). Доступность сырья — целлюлозного порошка, бамбука и буры — делает технологию экономически привлекательной: производство 1 см² «био-геля» обходится всего в 8% от стоимости стандартных коммерческих сепараторов.

Важным преимуществом является экологичность: отработанную мембрану можно полностью утилизировать с помощью фермента целлюлазы всего за четыре часа. Высокая эластичность позволяет аккумуляторам сохранять функциональность даже при изгибе на 90 градусов, что открывает перспективы применения в гибкой электронике и носимых гаджетах. Исследователи полагают, что данная химическая архитектура может быть успешно адаптирована для натриевых и алюминиевых систем накопления энергии.

Источник: iXBT