Исследователи увеличили срок службы и емкость водных батарей, используя простую цвиттерионную добавку в электролит.
Исследователи из Южной Кореи разработали новую электролитную добавку, которая значительно увеличивает срок службы и емкость водных батарей — технологии, широко рассматриваемой как более безопасная и дешевая альтернатива литий-ионным батареям.
Группа исследователей под руководством профессора Хосока Пака из Университета Сонгюнкван (SKKU) обнаружила, что добавление небольшого количества специально разработанного цвиттерионного материала в электролит помогло преодолеть ключевые проблемы, которые долгое время ограничивали коммерциализацию водных аккумуляторных систем.
В отличие от литий-ионных батарей, в водных батареях используются электролиты на водной основе, что делает их менее воспламеняемыми, более экологичными и потенциально более дешевыми в производстве. Однако их производительность снижается из-за нестабильного осаждения цинка и нежелательных реакций между цинковыми электродами и водой во время зарядки и разрядки.
Эти проблемы могут привести к коррозии, неравномерному накоплению металла и быстрой потере емкости, сокращая срок службы батарей и ограничивая их широкомасштабное внедрение.
Небольшая добавка, но большой эффект
Для решения этой проблемы исследователи разработали цвиттерионную добавку, известную как C10. Цвиттерионы содержат как положительные, так и отрицательные заряды в одной молекуле, что позволяет им уникальным образом взаимодействовать с окружающими ионами.
При добавлении в электролит молекулы C10 спонтанно собирались в наноструктуры диаметром около 3,77 нанометров. Эти структуры одновременно выполняли две функции.
Во-первых, они направляли ионы цинка на более равномерное осаждение по поверхности электрода, уменьшая образование нерегулярных цинковых структур, которые могут повредить батареи. Во-вторых, они формировали тонкий защитный слой на металлическом цинке, защищая его от прямого контакта с водой и ограничивая побочные реакции, вызывающие коррозию.
Совокупный эффект привел к существенному повышению производительности.
Водные батареи с модифицированным электролитом обеспечивали стабильную работу более 2800 часов. Кроме того, элементы достигли удельной емкости 8,10 мА·ч·см⁻², что, по словам исследователей, является лучшим в мире показателем среди водных батарейных систем, описанных на сегодняшний день.
«Мы продемонстрировали, что характеристики водных батарей можно существенно повысить простым способом — добавлением небольшого количества материала в электролит, без необходимости использования дорогостоящих материалов или сложных технологических процессов».
целевые системы хранения данных
Улучшение как срока службы, так и емкости хранения долгое время оставалось сложной задачей для разработчиков водных батарей. Многие предыдущие подходы улучшали один показатель за счет другого.
Новая стратегия использования электролита, по всей видимости, решает обе проблемы одновременно, избегая при этом дорогостоящих изменений в производстве.
Исследователи считают, что эта технология может быть полезна для крупномасштабных систем хранения энергии, где безопасность, стоимость и долговечность являются критически важными факторами.
«Помимо хранения возобновляемой энергии, эта технология имеет потенциал для применения в крупномасштабных системах хранения энергии (ESS) для инфраструктуры искусственного интеллекта и центров обработки данных, которые переживают взрывной рост».
Ожидается, что спрос на системы хранения энергии будет расти параллельно с расширением производства возобновляемой энергии и быстрым развитием вычислительной инфраструктуры искусственного интеллекта, поскольку и то, и другое требует надежных методов хранения и распределения электроэнергии.
Поскольку новый подход основан на простой модификации электролита, а не на перепроектировании архитектуры батареи, он может предложить практический путь к повышению коммерческой жизнеспособности водных аккумуляторных систем.
Результаты исследования были опубликованы в журнале Nano-Micro Letters.
Sourse: interestingengineering.com
