Дослідники з Університету Фліндерса в Австралії продемонстрували нову конструкцію водної цинк-йодної батареї, яка здатна працювати десятки тисяч циклів без суттєвої деградації. В одному з режимів лабораторний елемент після 60 000 циклів зберіг понад 99% початкової ємності.
Результати роботи опубліковані в журналі Angewandte Chemie International Edition. Автори розглядають технологію насамперед як майбутню альтернативу літій-іонним акумуляторам у великих стаціонарних системах зберігання енергії.
Головною проблемою цинк-йодних батарей тривалий час залишався так званий човниковий ефект. Під час роботи сполуки йоду можуть переміщуватися між електродами, через що втрачається активний матеріал, а цинковий анод поступово пошкоджується.
Йод буквально замкнули в молекулярній «клітці»
Австралійські хіміки використали для розв’язання проблеми β-циклодекстрин. Це кільцеподібна органічна молекула, яку можна отримувати з крохмалю і яка вже широко застосовується у харчовій, фармацевтичній та косметичній промисловості.
З циклодекстрину створили зшиту полімерну структуру з мікроскопічними порожнинами. Вони діють як своєрідні клітки: утримують активні сполуки йоду біля катода, але водночас дозволяють їм брати участь у необхідних електрохімічних реакціях. Це суттєво зменшує їх небажане переміщення до цинкового електрода.
Результат виявився незвичайно високим. У двоелектронному режимі батарея починала приблизно зі 149 мА·год/г і після 60 000 циклів демонструвала близько 148 мА·год/г — фактично без помітної втрати ємності. У більш енергоємному чотириелектронному режимі після такого ж числа циклів зберігалося близько 85% початкової ємності.
Заряджання займає лише кілька хвилин
Технологія виявилася придатною і для швидкої зарядки. За даними Університету Фліндерса, в одному режимі повне заряджання займало приблизно сім хвилин, а батарея витримувала понад 8000 циклів із ємністю близько 200 мА·год/г.
При ще більшому струмі зарядити елемент можна було приблизно за три хвилини. Саме в цьому режимі дослідники й отримали ресурс понад 60 000 циклів з ємністю близько 150 мА·год/г.
У смартфонах або електромобілях така технологія поки навряд чи замінить літій-іонні батареї — їхня перевага полягає у значно вищій щільності енергії.
Натомість цинк-йодні акумулятори можуть бути особливо цікавими для накопичення електроенергії із сонячних та вітрових електростанцій. Вони використовують негорючий водний електроліт, а цинк та йод є доступнішими матеріалами, ніж літій, нікель або кобальт.
Команда Університету Фліндерса вже співпрацює з промисловими партнерами над створенням прототипної платформи для масштабнішої системи зберігання енергії. Тому наступним важливим етапом стане перевірка того, чи вдасться перенести вражаючий лабораторний ресурс у великі комерційні акумулятори.
