Исследователи д-р Юнг Хун Янг и д-р Чан-Ву Ли из отдела исследований в области хранения энергии Корейского института энергетических исследований (президент: Чанг-Кеун И, далее именуемый «KIER») разработали новый материал электродов на основе оксида меди и успешно применили его на водных цинк-ионных батареях, достигнув трехкратного повышения долговечности.

Водно-цинковые батареи — это вторичные батареи, в которых в качестве электролита используется вода, что является более безопасной и экологичной альтернативой литий-ионным батареям, в которых используются летучие жидкие электролиты и которые создают опасность возгорания. Их низкая стоимость производства и недорогие материалы также делают их перспективным кандидатом для систем накопления энергии (ESS) следующего поколения.

Однако в процессе зарядки происходит явление, известное как образование дендритов, при котором металлические отложения цинка растут в вытянутой форме на поверхности анода, что приводит к сокращению срока службы батареи. Эти дендриты^* может проникать в сепаратор между анодом и катодом, вызывая короткое замыкание и значительно снижая долговечность аккумулятора

Исследовательская группа разработала новые наночастицы оксида меди и успешно подавила образование дендритов в водных цинк-ионных батареях с помощью технологии «электронной губки», которая эффективно поглощает и высвобождает электроны на аноде. Водный цинк-ионный аккумулятор с использованием этой технологии продемонстрировал в три раза большую долговечность по сравнению с обычными батареями.

Исследовательская группа протестировала ряд материалов-кандидатов со свойствами легирования цинком, анализируя их характеристики по размеру частиц. В результате они обнаружили, что наночастицы оксида меди проявляют самое высокое сродство к цинку.

Основываясь на этом, исследовательская группа разработала новые наночастицы оксида меди и применила их к водным цинк-ионным батареям. В цинк-ионных батареях электроны встречаются с ионами цинка на аноде, образуя металлический цинк, тем самым накапливая энергию. Наночастицы оксида меди действуют как губка, быстро поглощая электроны, что позволяет цинку равномерно осаждаться вокруг них. Это равномерное образование цинка эффективно подавляет развитие дендритов, которые обычно возникают в результате нерегулярного роста цинка.

Во время разряда «губка» быстро выделяет электроны, подобно выдавливанию воды из губки, тем самым способствуя растворению металлического цинка и сводя к минимуму остаточный цинк на поверхности анода. Этот механизм предотвращает превращение остаточного цинка в дендриты во время повторяющихся циклов заряда-разряда.

Исследовательская группа назвала технологию «электронной губкой» и с помощью вычислительного моделирования продемонстрировала, что она также может снизить потери энергии во время зарядки аккумулятора. При нанесении на проточную цинк-полийодидную батарею, тип водной батареи на основе цинка, не наблюдалось образования дендритов даже после 2500 циклов заряда-разряда. Для сравнения, обычные батареи обычно начинают образовывать дендриты и выходят из строя примерно после 800 циклов, что указывает на то, что новая технология обеспечивает более чем в три раза большую долговечность.

Кроме того, батарея продемонстрировала высокий КПД, с соотношением зарядной и разрядной емкости 98,7%. Он также достиг плотности энергии 180 Втч/л, что более чем на 30% выше, чем ранее сообщалось на цинк-полийодидных батареях, что значительно повысило его потенциал для коммерциализации.

Доктор Юнг Хун Янг и доктор Чан-Ву Ли, которые руководили исследованием в KIER, заявили: «Мы ожидаем, что это исследование станет ключевым прорывом для разработки цинковых батарей следующего поколения с высокой производительностью и безопасностью». Они добавили: «Мы планируем быстро приступить к проверке производительности в коммерческом масштабе, интегрировав недавно разработанный материал электродов из оксида меди в демонстрационную систему цинк-полииодидных батарей класса 3,5 кВт».

Это исследование было поддержано Программой фундаментальных исследований Корейского института энергетических исследований и Программой развития технологий будущего Samsung. Результаты исследования опубликованы в январском номере ведущего международного научного журнала Nature Communications (IF 14.7).