Анионный мостик сделал цинковые батареи почти вечными

Инженеры из Мэрилендского университета и Брукхейвенской лаборатории нашли способ избавить цинковые аккумуляторы от их главного порока — короткого срока службы. Новая структура электролита с «анионными мостиками» блокирует рост разрушительных дендритов и разложение воды, сохраняя при этом низкую стоимость и высокую безопасность технологии.

Цинковые батареи долгое время считались перспективной, но капризной альтернативой литий-ионным аналогам. Их главная проблема заключалась в химической агрессивности водной среды. В процессе зарядки на аноде неизбежно вырастали острые иглы — дендриты, которые прошивали сепаратор и вызывали короткое замыкание. Кроме того, молекулы воды внутри системы распадались, что быстро выводило элемент питания из строя. Ранее ученые пытались решить это созданием сверхконцентрированных составов, но те оказывались слишком дорогими и вязкими для массового производства.

Группа профессора Чуншэна Ванна предложила иной путь, сосредоточившись на архитектуре так называемой вторичной сольватной оболочки. Используя фторированные анионы и соли с особыми донорными числами, исследователи создали структуру, в которой отрицательно заряженные ионы связываются не только с цинком, но и с молекулами растворителя. Эти «анионные мостики» создают защитный барьер, изолирующий поверхность анода от побочных реакций. В результате удалось получить дешевый низкоконцентрированный электролит, который работает эффективнее своих «вязких» предшественников.

Лабораторные тесты подтвердили жизнеспособность концепции. Обновленные ячейки выдержали более 1 000 циклов с кулоновской эффективностью 99,99%. При плотности энергии в 130 Вт·ч/кг такие показатели открывают прямой путь к коммерциализации систем хранения для солнечных и ветровых ферм. По словам разработчиков, предложенный метод проектирования универсален. В ближайшее время команда планирует адаптировать технологию для других типов батарей, чтобы закрепить успех цинковой архитектуры на рынке большой энергетики.