Смелая новая конструкция кальций-ионного аккумулятора может составить конкуренцию литиевым аккумуляторам и обеспечить будущее экологически чистой энергетики.
Ученые из Гонконгского университета науки и технологии (The Hong Kong University of Science and Technology, HKUST) сообщили о значительном прогрессе в исследованиях кальций-ионных аккумуляторов (CIB), который может изменить подход к хранению и использованию энергии в повседневной жизни. Используя квазитвердотельные электролиты (quasi-solid-state electrolytes, QSSE), команда разработала новый тип CIB, который отличается повышенной производительностью и экологичностью. Эта технология может найти применение в самых разных областях — от систем хранения возобновляемой энергии до электромобилей. Статья опубликована в журнале Advanced Science под названием «Высокоэффективные квазитвердотельные кальций-ионные аккумуляторы на основе окислительно-восстановительных ковалентных органических каркасных электролитов».
По мере того как страны наращивают производство возобновляемой энергии, растет потребность в надежных и эффективных аккумуляторных батареях. В настоящее время на рынке доминируют литий-ионные аккумуляторы (ЛИА), но сохраняются опасения по поводу ограниченности ресурсов лития и практической невозможности повысить их удельную энергоемкость. Эти ограничения стимулируют поиск альтернативных химических составов аккумуляторов, которые могли бы удовлетворить долгосрочные потребности мировой энергетики.
Ионно-кальциевые аккумуляторы привлекают внимание тем, что кальций широко распространен и обладает электрохимическими свойствами, сравнимыми со свойствами литий-ионных аккумуляторов. Однако прогресс в этой области сдерживается техническими барьерами. В частности, ионам кальция сложно эффективно перемещаться внутри аккумулятора, а поддержание стабильной производительности при многократных циклах зарядки и разрядки оказалось непростой задачей. Из-за этих проблем ионно-кальциевые аккумуляторы не могут напрямую конкурировать с уже существующими системами на основе лития.
Квазитвердотельные электролиты улучшают ионный транспорт
Для решения этих проблем команда под руководством профессора. Юнсоб КИМ, адъюнкт-профессор кафедры химической и биологической инженерии HKUST, разработала редокс-ковалентно-органические каркасы для функционирования в качестве QSSES. Эти материалы, богатые карбонилом, достигли высокой ионной проводимости (0,46 мС/см-1) и способности к переносу Ca2+ (>0,53) при комнатной температуре.
С помощью лабораторных экспериментов и компьютерного моделирования исследователи обнаружили, что ионы Ca2+ быстро перемещаются вдоль выровненных карбонильных групп внутри структурированных пор ковалентных органических каркасов. Такая организованная внутренняя структура помогает объяснить повышенную подвижность ионов и общую эффективность батареи.
Высокая производительность при более чем 1000 циклах
Профессор Ким сказал: «Наше исследование демонстрирует преобразующий потенциал кальций-ионных аккумуляторов как экологичной альтернативы литий-ионным технологиям. Используя уникальные свойства окислительно-восстановительных ковалентных органических каркасных структур, мы сделали значительный шаг к созданию высокоэффективных решений для хранения энергии, которые могут удовлетворить потребности более экологичного будущего».
Исследование проводилось в рамках сотрудничества Гонконгского университета науки и технологий и Шанхайского университета Цзяо Тун.