Инженеры
вводят «сваху»
в аккумуляторы.
По мере роста потребностей в новых элементах питания с более высокой ёмкостью и стабильной производительностью, растут и требования к ресурсной базе таких производств. На протяжении довольно долгого времени манипуляций с поиском идеальных электродов вполне хватало для прогресса, но необходимость вовлечения всё более сложных электролитов со множеством растворителей и анионов, показала, что прежнего понимания происходящих в накопителях энергии процессов становится недостаточно.
И вот на днях команда исследователей из Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE) объявила о новом взгляде на скрытую возможность усовершенствовать старую технологию батарее-строения, ставшем, однако, сюрпризом для самих авторов работы.
«Что было особенно интересно в этом результате, так это то, что мы не ожидали увидеть то, что увидели», ‒ признаётся материаловед Джастин Коннелл, соавтор исследования.
В общем, учёные обнаружили интригующее взаимоотношения между сложными смесями компонентов в электролитах цинковых аккумуляторов, разрабатываемых в качестве альтернативы литиевым. Обнаружено, что сочетание двух разных типов анионов (отрицательно заряженных ионов) с катионами (положительными ионами) может значительно улучшить общую производительность батарей. Как поясняет учёный, идея в том, что «мы можем использовать один анион, чтобы приблизить второй анион к катиону». Это означает, что тщательный выбор ионных смесей может позволить разработчикам точно привести свои устройства к целевым рабочим характеристикам.
Исследование было сосредоточено на мультивалентной батарее ‒ типе устройств нового поколения, который часто рассматривается как потенциальная альтернатива сегодняшним литий-ионным аккумуляторам, откровенно не подходящих для критически важных сфер вроде электромобилей и хранения возобновляемой энергии в сети.
В этих потенциально революционных технологиях используются катионы из цинка, магния и кальция. Их заряд вдвое превышает литиевый, отчего они могут хранить и выделять больше энергии.
Однако мультивалентные батареи также требуют оптимизации. В частности, это касается износа материала электрода, которая имеет решающее значение для оптимальности КПД и срока службы всего устройства. Высокопроизводительная же и долговечная батарея должна выдерживать тысячи обратимых циклов заряд-разряд. В итоге электролиты не могут эффективно проводить катионы, снижая способность батарей генерировать и хранить энергию.
Несмотря на то, что открытое взаимодействие между различными типами ионов решило проблему, самым интересным итогом исследования авторы признают само открытие этого крайне неочевидного явления. Вырисовывается прелюбопытнейшая картина: с одной стороны, присутствие в электролите слабо притягивающих анионов уменьшает необходимые энергетические ресурсы для вытягивания металлического цинка из раствора; однако наличие сильно притягивающих анионов уменьшало потребности в энергии для возвращения цинка в раствор. То есть в целом на управление всем этим возвратно-поступательным процессом теперь уходит меньше энергии.
Причём важно, что эта удача ‒ не частный случай, а новый подход к разработке электролитов для современных батарей. Благодаря более точному контролю ионных взаимодействий разработчики аккумуляторов могут улучшить транспорт катионов, повысить стабильность и активность электродов, а также обеспечить более быстрое и эффективное производство и хранение электроэнергии.
«Наши наблюдения подчёркивают ценность изучения использования различных анионных смесей в батареях для точной отладки и настройки их взаимодействия с катионами, ‒ говорит Коннелл. ‒ В конечном итоге мы хотим научиться выбирать оптимальные комбинации ионов, чтобы максимизировать производительность батарей».
По материалам АРМК.
