Цинковые батареи на основе хитина оказались стабильными и крайне долговечными
Ожидается, что спрос на накопители энергии будет только расти, поскольку мы все больше полагаемся на возобновляемые источники энергии и электромобили для транспорта, и хотя литий-ионные батареи, широко используемые сегодня, служат нам хорошо, есть и другие архитектуры с более долгосрочными перспективами. Добыча лития обходится дорого и сопряжена с экологическими издержками, а батареи, в которых он используется, не слишком хорошо поддаются процессам переработки.
«Производится и потребляется огромное количество аккумуляторов, что повышает вероятность экологических проблем», — заявил ведущий автор Лянбинг Ху, директор Центра инноваций в области материалов Университета Мэриленда. — «Например, полипропиленовые и поликарбонатные сепараторы, которые широко используются в литий-ионных батареях, разлагаются сотни или тысячи лет и увеличивают нагрузку на окружающую среду».
Ученые изучают множество возможных альтернатив проверенной и надежной литий-ионной архитектуре, и батареи на основе цинка — это вариант, который может быть более безопасным, экономичным и экологически чистым. Ученые уже продемонстрировали различные версии этих устройств, которые обеспечивают высокую удельную мощность и могут производиться так же дешево, как, например, свинцово-кислотные аккумуляторы.
«Цинка в земной коре больше, чем лития», — отметил Ху. — «Честно, хорошо разработанные цинковые батареи дешевле и безопаснее».
Однако основным препятствием в этой области является короткий срок службы батарей на основе цинка, и ученые уделяют большое внимание разработке версий, которые можно надежно перезаряжать. Модификация может включать в себя химические изменения, которые предотвращают повреждение водой, или новые электрокатализаторы, которые помогают поддерживать их эффективность при повторяющихся циклах. Ху и его команда предложили еще одно решение, которое может решить проблему перезарядки и в то же время сделать устройства более устойчивыми.
Батарейки с хитином
Цинковая батарея посылает ионы, перемещающиеся туда и обратно между цинковым анодом и катодом в растворе электролита, когда он вращается. Обычные растворы электролитов в литиевых батареях содержат легковоспламеняющиеся и вызывающие коррозию химические вещества, но авторы этого нового исследования разработали гелевый электролит для использования с цинковым анодом, изготовленным из природного материала, называемого хитозаном.
Хитозан — это производный продукт хитина. Хитин, в свою очередь, встречается в природе повсеместно, от клеточных стенок грибов до экзоскелетов ракообразных и кальмаров. Именно последние привлекли внимание ученых, поскольку они почти ничего не стоят и их можно добывать в огромных количествах.
В тестовых испытаниях команда показала, что цинковая батарея с использованием их нового электролита показала впечатляющие результаты. Он предотвратил образование щупальцеобразных наростов, которые могут снизить производительность батареи (т.н. дендритов), и продемонстрировал «исключительную циклическую стабильность», сохранив эффективность 99,7% в течение 1000 циклов при работе с высокой плотностью тока 50 мАч на квадратный сантиметр.
А благодаря экологичной конструкции около двух третей батареи могут быть разрушены микробами, в то время как электролит из хитозана может быть полностью разрушен в течение пяти месяцев. Оставшийся цинк может быть переработан. «Я надеюсь, что в будущем все компоненты аккумуляторов будут биоразлагаемыми», — признался Ху.
Долой литиевые батареи: гениальное открытие нашло замену аккумуляторам прошлого века