Учёные из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA) разработали гибридную цинк-ионную батарею с 3D-печатным электродом, которая способна накапливать более чем в семь раз больше заряда, чем аналогичные устройства. При этом батарея сохраняет 82 % ёмкости после 1500 циклов зарядки-разрядки.
Новинка предназначена для задач хранения энергии, где важны быстрая отдача и пополнение заряда, низкая стоимость и длительный срок службы.
Цинк вместо лития
Цинк рассматривается как перспективная альтернатива литию. Он в 100 раз более распространён в земной коре, проще в добыче и переработке, а значит — дешевле и экологичнее.
«Будущее хранения энергии не будет определяться одной технологией, — говорит соавтор исследования Махер Эль-Кади (Maher El-Kady). — В какой-то момент нам понадобится что-то, что дополнит существующие решения для хранения энергии в масштабах энергосистемы. То, что мы сделали, даёт цинк-ионным гибридным устройствам ёмкость почти на порядок выше».
Гибрид батареи и суперконденсатора
Устройство сочетает два подхода к хранению энергии. Один электрод работает как в обычной литий-ионной батарее, а второй — как в суперконденсаторе (углеродный электрод). Суперконденсаторы заряжаются и разряжаются очень быстро и служат долго, но обычно хранят меньше энергии, потому что заряд накапливается только на поверхности.
Учёные увеличили поверхность углеродного электрода и загрузили его оксидом ванадия — материалом, способным хранить большой объём энергии. Это позволило значительно повысить ёмкость.
3D-печатный электрод
Электрод имеет структуру, похожую на пчелиные соты или губку, с множеством крошечных полостей. Его напечатали методом 3D-печати, при котором жидкая смола мгновенно затвердевает под лазером УФ-света. После печати материал подвергли нагреву и газированию, чтобы удалить всё лишнее и оставить только проводящий углерод с открытыми порами. Затем структуру насытили оксидом ванадия.
В результате один грамм материала при «разворачивании» в плоский лист мог бы покрыть площадь около десяти теннисных кортов.
Исследователи также разработали 3D-печатную тестовую ячейку, которая помогает лабораториям получать более точные и воспроизводимые измерения экспериментальных устройств хранения энергии.
Работа опубликована в журнале Small.
