Ученые нашли способ продлить жизнь водных цинк-ионных аккумуляторов, обратившись к самому очевидному источнику — растениям. Новый целлюлозный гидрогель не только экологичен и дешев, но и эффективно решает одну из главных проблем таких батарей — рост металлических дендритов.
Водные цинк-ионные батареи давно считаются перспективной альтернативой литий-ионным: они безопаснее, дешевле и используют доступные материалы. Однако у них есть слабое место. При зарядке цинк на электроде образует острые кристаллические «шипы» — дендриты. Со временем они прокалывают внутренний сепаратор, вызывая короткое замыкание. Итог предсказуем: аккумулятор выходит из строя всего за несколько недель.
Можно ли обуздать этот хаотичный рост металла? Команда исследователей из Южно-Китайского технологического университета в Гуанчжоу уверена, что да — если правильно подобрать материал для защиты.
Целлюлоза против дендритов
В основе новой разработки — гидрогель из растительной целлюлозы. Чтобы сформировать его структуру, ученые сначала растворили микрокристаллическую целлюлозу в охлажденной щелочно-мочевинной среде, а затем «сшили» полимерные цепи с помощью буры, создав прочную базовую сетку.
Следующий шаг — усиление. В эту сетку добавили нанофибры, полученные из бамбука и окисленные по технологии TEMPO. Эти волокна толщиной всего около 3 нанометров несут на поверхности множество карбоксильных групп. Для ионов цинка они работают как химический магнит, направляя их движение.
Интересно, что нанофибры выполняют сразу две функции. С одной стороны, они служат микроскопической «арматурой», повышая механическую прочность геля. С другой — образуют своего рода скоростные «магистрали» для ионов, почти вдвое ускоряя их перенос по сравнению с обычными растительными материалами. Компьютерное моделирование подтверждает: ионы цинка буквально «пролетают» через этот композит.
Результаты испытаний
Несмотря на толщину всего около 1 мм и почти полную прозрачность, целлюлозная пленка оказалась удивительно выносливой. Даже после длительного контакта с электролитом она в четыре раза прочнее стандартных целлюлозных сепараторов.
В прямом сравнении разрыв выглядит драматично: коммерческие стекловолоконные сепараторы выходят из строя примерно через 120 часов циклирования, тогда как батареи с новым гидрогелем стабильно работают до 1 100 часов без заметных просадок напряжения.
Материал хорошо переносит и жесткие режимы — высокие токи и повышенные температуры до 45 °C. В составе полноценного аккумулятора он сохраняет около 80 % емкости даже после 1 000 циклов заряд-разряд, превосходя традиционные жидкие электролиты.
Почему это важно
Посмертный анализ электродов расставляет все точки над i. Атомно-силовая микроскопия показывает: в обычных батареях поверхность цинка покрыта грубыми дендритными наростами с шероховатостью около 108 нм. Под защитой биогеля картина иная — поверхность остается почти вдвое более гладкой (около 52 нм). Именно эта «аккуратность» и предотвращает короткие замыкания.
Еще одно преимущество — материалы. Целлюлозный порошок, бамбук и бура относятся к дешевым и массовым химическим продуктам. Сам гидрогель можно изготавливать рулонным способом, практически по тем же принципам, что и бумагу.
Экономика тоже на стороне новинки: производство 1 см² такого «биогеля» обходится всего в 8 % стоимости стандартного коммерческого сепаратора. А утилизация и вовсе выглядит почти идиллически — отработанную мембрану достаточно замочить в растворе фермента целлюлазы, и за четыре часа она полностью разлагается без опасных отходов.
Гидрогель оказался гибким не только в переносном смысле. Экспериментальные аккумуляторные «пакеты» с этим материалом сохраняли работоспособность даже при изгибе на 90 градусов под нагрузкой — находка для умной одежды и носимой электроники.
Важно и то, что сама химическая идея не ограничивается цинком. По словам авторов, аналогичный подход можно адаптировать и для натриевых или алюминиевых батарей, открывая путь к целому семейству экологичных систем хранения энергии.
Исследование опубликовано в журнале Journal of Bioresources and Bioproducts, а при поддержке китайских фондов технология уже готовится перейти от лабораторных образцов к пилотному производству.
