Исследователи из Технологического университета Сиднея (UTS) и Манчестерского университета в Соединенном Королевстве сообщили о разработке ими нового, более долговечного цинк-ионного аккумулятора. Указывается, что новый аккумулятор способен выдерживать на 50% больше циклов зарядки-разрядки, что может стать по-настоящему безопасной и экологичной альтернативой литий-ионным батареям и открыть путь к превращению цинк-ионных аккумуляторов в коммерчески выгодную альтернативу литий-ионным.

Ионно-цинковые аккумуляторы обычно считаются более безопасной, дешевой и экологически безвредной альтернативой литий-ионным батареям. Это особенно актуально для крупномасштабных систем хранения энергии (например, солнечной или ветровой энергии в энергосистеме). Однако ионно-цинковые аккумуляторы, как правило, изнашиваются слишком быстро, поскольку их внутренние компоненты разрушаются из-за повторяющихся циклов зарядки и разрядки. Как отмечается, это открытие исследователей из Технологического университета Сиднея и Манчестерского университета в Соединенном Королевстве может решить проблему с ионно-цинковыми аккумуляторами, способными выдерживать 5000 циклов зарядки/разрядки, сохраняя при этом высокую емкость.

Исследователи объясняют, что это было достигнуто благодаря двум ключевым инновациям. Первое — это так называемый 2-мерный (2D) сверхрешеточный материал, который состоит из слоев оксида марганца и графена. Первый представляет собой оксид переходного металла, обычно используемый в аккумуляторах, а второй представляет собой сверхпрочный тонкий углеродный лист. Вместе они образуют «суперрешетку», которая представляет собой тщательно спроектированный «сэндвич» из материалов толщиной всего в несколько атомов. Во-вторых, используется явление, известное как эффект Яна-Теллера. Это квантовое явление, которое заставляет определенные атомы деформироваться, когда они находятся в определенных условиях. Это, по их сообщениям, можно рассматривать как встроенный механизм снятия напряжения на атомарном уровне.

В опубликованных результатах исследования сообщается, что в данном случае использовался эффект Яна-Теллера во всей конструкции, который помогает материалу выдерживать нагрузку, связанную с многократным вводом и удалением ионов цинка во время использования батареи. Как указывается, сочетание этих двух факторов позволяет значительно продлить срок службы ионно-цинкового аккумулятора, так как катод со временем не разрушается, поэтому срок службы аккумулятора значительно увеличивается. Это также делает аккумулятор более масштабируемым и экологичным, поскольку в нем используются низкотемпературные и нетоксичные технологии на водной основе, что упрощает и очищает производственный процесс. Инновации также делают новый аккумулятор намного безопаснее, чем альтернативные варианты, такие как литий-ионный. Это связано с тем, что цинк-ионные аккумуляторы не воспламеняются, как литий-ионные.

“Наш подход предлагает эффективную стратегию значительного увеличения срока службы перезаряжаемых батарей за счет использования совместного эффекта Яна-Теллера, который позволяет преодолеть нагрузку, связанную с проникновением ионов в материалы электродов”, — объясняют исследователи. “В результате получается недорогая цинк-ионная батарея на водной основе, которая отличается большей долговечностью и не несет рисков для безопасности, связанных с литий-ионными элементами”, — добавили они. Это также дает дополнительное преимущество, поскольку делает их более экономичными, так как цинк недорог и широко доступен.

По оценкам исследователей, их работа может помочь воплотить в жизнь безопасные и доступные по цене сетевые аккумуляторы для хранения возобновляемой энергии. Потенциально это может заменить литий-ионные системы, которые дороги, легко воспламеняются и зависят от редких металлов, таких как кобальт и литий. «Наше исследование открывает новые горизонты в разработке деформаций для 2D-материалов», — сказал профессор Гоосю Ван, ведущий автор и корреспондент UTS.

С полным текстом исследования можно ознакомиться в журнале Nature Communications.