Созданы сверхстабильные цинковые аккумуляторы на основе электролитов с «анионным мостиком»

Коллектив инженеров из Мэрилендского университета и Брукхейвенской национальной лаборатории разработал передовую концепцию электролита, которая эффективно предотвращает формирование дендритов, обеспечивая рекордную результативность цинковых элементов питания.

Под научным руководством профессора Чуншэна Вана и доктора Децзяня Дуна исследовательская группа предложила элегантное решение фундаментального изъяна цинковых батарей. Несмотря на их высокую безопасность и экономическую привлекательность, ранее они не могли похвастаться долговечностью: нестабильность молекул воды и стремительное разрастание цинковых дендритов — игольчатых кристаллических образований на аноде — неизбежно приводили к коротким замыканиям.

Ученым удалось создать электролиты на водной основе с низкой концентрацией компонентов, которые по своим характеристикам не уступают дорогостоящим и вязким составам класса «вода в соли» (water-in-salt), при этом сохраняя отличную электропроводность и оставаясь доступными в производстве.

Фундаментом успеха стало управление «вторичной сольватной оболочкой». Применив фторированные анионы и соли, обладающие высокими донорными числами (выше 18), исследователи сформировали специфическую молекулярную архитектуру — «вторичную сольватную оболочку с анионными мостиками». В этой структуре отрицательно заряженные ионы взаимодействуют не только с катионами цинка, но и эффективно связывают молекулы воды в ближайшем окружении.

Такая конфигурация надежно изолирует цинковый анод от нежелательных реакций с водой и способствует созданию устойчивого межфазного слоя. По утверждению авторов исследования, данная разработка позволяет существенно улучшить комплекс параметров электролита, не жертвуя при этом высокой проводимостью в угоду стабильности.

В ходе лабораторных испытаний новые аккумуляторы достигли кулоновской эффективности в 99,99%, выдержав свыше 1 000 циклов заряда-разряда при плотности энергии до 130 Вт·ч/кг. Профессор Чуншэн Ван отметил, что предложенная методология проектирования электролитов создает все предпосылки для скорейшего внедрения недорогих и безопасных систем накопления энергии, необходимых для развития солнечной и ветрогенерации. В ближайшее время команда планирует масштабировать данный подход на другие типы электролитных систем и детально исследовать происходящие на границе раздела фаз процессы с применением передовых аналитических методов.

Источник: iXBT