10 000 циклів і майже 90% ємності: китайські вчені покращили акумулятори

Китайські дослідники розробили акумулятор, який витримує понад 10 000 циклів заряджання та розряджання і зберігає майже 90% початкової ємності. Їм вдалося покращити хімію катода цинк-іонної батареї, щоб зменшити втрати енергії та уповільнити деградацію матеріалів. За словами команди, це відкриває перспективи для створення довговічніших систем накопичення енергії.

Як дослідники збільшили ресурс акумулятора

Водні цинк-іонні акумулятори зазвичай використовують катоди на основі йоду. Вони забезпечують стабільну роботу протягом багатьох циклів, швидке заряджання та розряджання, а також дають змогу накопичувати значну кількість енергії.

Однак такі катоди мають недоліки: низьку електропровідність, структурні зміни під час роботи та міграцію іонів йоду крізь акумулятор. Останнє явище називають ефектом «шатла». Воно знижує ефективність, прискорює руйнування матеріалів і скорочує термін служби батареї.

Команда з Цзіліньського університету та Чанчуньського інституту прикладної хімії змінила хімію функціональних груп катода. Дослідники створили самонесучі катоди з вуглецевих нанотрубок та перевірили три варіанти їхньої модифікації: гідроксильними (‒OH), карбоксильними (‒COOH) й амінними (‒NH₂) групами.

За допомогою спектроскопії та мікроскопії вони підтвердили, що функціональні групи рівномірно розподілилися в матеріалі. Найкращий результат показали нанотрубки з гідроксильними групами: вони працювали як своєрідні якорі, утримуючи іони йоду на катоді та не дозволяючи їм мігрувати крізь акумулятор.

Завдяки цьому дослідникам вдалося зменшити втрати енергії та підвищити стабільність батареї під час тривалої експлуатації.

Понад 10 000 циклів і до 93 400 циклів за інших умов

Під час лабораторних випробувань новий катод забезпечив початкову оборотну ємність 175,5 мА·год/г за густини струму 1 А/г. Після понад 10 000 циклів заряджання та розряджання акумулятор зберіг 89,34% початкової ємності. За словами дослідників, це відповідає понад 3500 годинам безперервної роботи.

За вищої густини струму — 10 А/г — батарея забезпечила ємність 120 мА·год/г і витримала 93 400 циклів заряджання та розряджання.

Додаткові дослідження, зокрема раманівська спектроскопія під час роботи акумулятора та рентгенівська фотоелектронна спектроскопія після циклів, підтвердили, що сполуки йоду багаторазово й оборотно перетворюються під час заряджання та розряджання. Також аналіз засвідчив, що модифікований катод ефективно усуває небажаний ефект «шатла».

Більший прототип акумулятора

Щоб перевірити практичний потенціал технології, команда створила більший акумулятор у корпусі типу pouch cell із 150 мг йоду. Він працював за напруги 1,1 В, забезпечував фактичну ємність 23,8 мА·год і зберігав 91,7% початкової ємності після 350 циклів.

Цей експеримент важливий тим, що дослідники перевірили технологію не лише на лабораторному катоді, а й у більшому прототипі акумулятора. Водночас наведені результати ще не означають готовності батареї до масового виробництва.

На думку авторів роботи, модифікація функціональних груп катода — простий та ефективний спосіб прискорити перетворення йоду й підвищити стабільність водних цинк-йодних акумуляторів. Такий підхід може допомогти створити довговічні системи накопичення енергії на основі поширеного в природі металевого цинку.

Джерело: interestingengineering