10 000 циклов и почти 90 % ёмкости: китайские учёные усовершенствовали аккумуляторы

Китайские исследователи разработали аккумулятор, который выдерживает более 10 000 циклов заряда и разряда и сохраняет почти 90 % первоначальной ёмкости. Им удалось усовершенствовать химический состав катода цинк-ионной батареи, чтобы уменьшить потери энергии и замедлить деградацию материалов. По словам команды, это открывает перспективы для создания более долговечных систем накопления энергии.

Как исследователи увеличили ресурс аккумулятора

Водные цинк-ионные аккумуляторы Обычно используются катоды на основе йода. Они обеспечивают стабильную работу в течение многих циклов, быструю зарядку и разрядку, а также позволяют накапливать значительное количество энергии.

Однако такие катоды имеют недостатки: низкую электропроводность, структурные изменения во время работы и миграцию ионов йода через аккумулятор. Последнее явление называют «эффектом шаттла». Оно снижает эффективность, ускоряет разрушение материалов и сокращает срок службы батареи.

Команда из Цзилиньского университета и Чанчуньского института прикладной химии изменила химический состав функциональных групп катода. Исследователи создали самонесущие катоды из углеродных нанотрубок и проверили три варианта их модификации: гидроксильными (‒OH), карбоксильными (‒COOH) и аминными (‒NH₂) группами.

С помощью спектроскопии и микроскопии они подтвердили, что функциональные группы равномерно распределились в материале. Лучший результат показали нанотрубки с гидроксильными группами: они работали как своеобразные якоря, удерживая ионы йода на катоде и не позволяя им мигрировать через аккумулятор.

Благодаря этому исследователям удалось уменьшить потери энергии и повысить стабильность батареи при длительной эксплуатации.

Более 10 000 циклов и до 93 400 циклов при других условиях

В ходе лабораторных испытаний новый катод продемонстрировал начальную обратимую ёмкость 175,5 мА·ч/г при плотности тока 1 А/г. После более 10 000 циклов заряда и разряда аккумулятор сохранил 89,34 % первоначальной ёмкости. По словам исследователей, это соответствует более 3500 часам непрерывной работы.

При более высокой плотности тока — 10 А/г — батарея обеспечила ёмкость 120 мА·ч/г и выдержала 93 400 циклов заряда и разряда.

Дополнительные исследования, в частности, рамановская спектроскопия во время работы аккумулятора и рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия после циклов, подтвердили, что соединения йода многократно и обратимо преобразуются во время зарядки и разрядки. Кроме того, анализ показал, что модифицированный катод эффективно устраняет нежелательный эффект «шаттла».

Увеличенный прототип аккумулятора

Чтобы проверить практический потенциал технологии, команда создала аккумулятор большего размера в корпусе типа «pouch cell» с 150 мг йода. Он работал при напряжении 1,1 В, обеспечивал фактическую ёмкость 23,8 мА·ч и сохранял 91,7 % исходной ёмкости после 350 циклов.

Этот эксперимент важен тем, что исследователи проверили технологию не только на лабораторном катоде, но и в более крупном прототипе аккумулятора. В то же время приведенные результаты еще не означают готовности батареи к массовому производству.

По мнению авторов работы, модификация функциональных групп катода — простой и эффективный способ ускорить превращение йода и повысить стабильность водных цинк-йодных аккумуляторов. Такой подход может помочь создать долговечные системы накопления энергии на основе широко распространённого в природе металлического цинка.

Источник: interestingengineering