Исследователи из Университета Флиндерса в Австралии продемонстрировали новую конструкцию водной цинк-йодной батареи, способной проработать десятки тысяч циклов без существенной деградации. В одном из режимов лабораторный элемент после 60 000 циклов сохранил более 99 % первоначальной ёмкости.
Результаты работы опубликованы в журнале Angewandte Chemie International Edition. Авторы рассматривают эту технологию прежде всего как будущую альтернативу литий-ионным аккумуляторам в крупных стационарных системах хранения энергии.
Главной проблемой цинк-йодных батарей в течение длительного времени оставался так называемый «човниковый» эффект. Во время работы соединения йода могут перемещаться между электродами, в результате чего теряется активный материал, а цинковый анод постепенно повреждается.
Йод буквально заперли в молекулярной «клетке»
Австралийские химики использовали для решения этой проблемы β-циклодекстрин. Это кольцеобразная органическая молекула, которую можно получать из крахмала и которая уже широко применяется в пищевой, фармацевтической и косметической промышленности.
Из циклодекстрина создали сшитую полимерную структуру с микроскопическими полостями. Они действуют как своеобразные клетки: удерживают активные соединения йода возле катода, но в то же время позволяют им участвовать в необходимых электрохимических реакциях. Это существенно уменьшает их нежелательное перемещение к цинковому электроду.
Результат оказался необычайно высоким. В двухэлектронном режиме батарея начинала примерно со 149 мА·ч/г и после 60 000 циклов демонстрировала около 148 мА·ч/г — фактически без заметной потери ёмкости. В более энергоемком четырёхэлектронном режиме после такого же числа циклов сохранялось около 85 % исходной ёмкости.
Зарядка занимает всего несколько минут
Технология оказалась пригодной и для быстрой зарядки. По данным Университета Флиндерса, в одном из режимов полная зарядка занимала примерно семь минут, а батарея выдерживала более 8000 циклов с ёмкостью около 200 мА·ч/г.
При ещё более высоком токе элемент можно было зарядить примерно за три минуты. Именно в этом режиме исследователи и добились ресурса свыше 60 000 циклов при ёмкости около 150 мА·ч/г.
В смартфонах или электромобилях такая технология пока вряд ли заменит литий-ионные батареи — их преимущество заключается в значительно более высокой плотности энергии.
В то же время цинк-йодные аккумуляторы могут представлять особый интерес для накопления электроэнергии, вырабатываемой солнечными и ветровыми электростанциями. В них используется негорючий водный электролит, а цинк и йод являются более доступными материалами, чем литий, никель или кобальт.
Команда Университета Флиндерса уже сотрудничает с промышленными партнерами над созданием прототипной платформы для более масштабной системы хранения энергии. Поэтому следующим важным этапом станет проверка того, удастся ли перенести впечатляющие лабораторные результаты на крупные коммерческие аккумуляторы.
