Команда под руководством профессора Хосока Пака из Университета Сонгюнгван обнаружила, что добавление небольшого количества специально разработанного цвиттер-ионного (zwitterion) материала в электролит помогает преодолеть ключевые проблемы, долгое время сдерживавшие коммерциализацию водных батарей.

Источник: interestingengineering.com

В отличие от литий-ионных аккумуляторов, водные батареи используют электролит на водной основе. Это делает их менее пожароопасными, более экологичными и, потенциально, дешёвыми. Однако их эффективность ограничивали нестабильное осаждение цинка и нежелательные побочные реакции между цинковыми электродами и водой при заряде и разряде. Эти проблемы приводили к коррозии и быстрой потере ёмкости.

Для решения проблемы исследователи создали цвиттер-ионную добавку под названием C10. Цвиттер-ионы содержат одновременно положительный и отрицательный заряды в одной молекуле, что позволяет им уникальным образом взаимодействовать с окружающими ионами.

При добавлении в электролит молекулы C10 самопроизвольно собирались в наноструктуры диаметром около 3,77 нанометра. Эти структуры выполняли две функции. Во-первых, они направляли ионы цинка для более равномерного осаждения на поверхности электрода, снижая образование нерегулярных структур. Во-вторых, они формировали тонкий защитный слой над цинковым металлом, изолируя его от прямого контакта с водой и ограничивая коррозию.

Водные батареи с модифицированным электролитом сохраняли стабильную работу более 2800 часов. Ячейки также достигли поверхностной ёмкости 8,10 мА*ч на квадратный сантиметр, что исследователи называют лучшим показателем среди водных аккумуляторов на сегодняшний день.

Профессор Пак отметил, что производительность водных батарей можно существенно повысить простым добавлением небольшого количества материала в электролит, без необходимости использования дорогих компонентов или сложных процессов. Улучшение срока службы и накопительной ёмкости долгое время было сложной задачей. Новая стратегия решает обе проблемы одновременно.

Исследователи полагают, что технология может быть полезна для крупномасштабных систем накопления энергии, а также для инфраструктуры искусственного интеллекта и центров обработки данных. Поскольку новый подход основан на простой модификации электролита, а не на перепроектировании батареи, он предлагает практический путь к повышению коммерческой жизнеспособности водных аккумуляторов. Результаты опубликованы в журнале Nano-Micro Letters.