Недавно представленная цинковая батарея способна накапливать в семь раз больше энергии, сохраняя при этом 82 % своей ёмкости даже после полутора тысяч циклов перезарядки. Ключевая особенность разработки — электрод, созданный с помощью трёхмерной печати, напоминающий по структуре губку. Это позволило значительно повысить эффективность накопления заряда, что особенно важно для систем, использующих возобновляемые источники энергии.
Ирина Петрова
Новая гибридная батарея Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. Источник: UCLA
Группа учёных под руководством Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе создала гибридную цинк-ионную батарею с напечатанным на 3D-принтере электродом. Согласно результатам, опубликованным в журнале Small , новое устройство может хранить в семь раз больше энергии по сравнению с аналогичными гибридными решениями. Такая батарея разработана для тех случаев, когда необходимо быстро отдавать и накапливать энергию, при этом оставаясь недорогой и долговечной.
Цинк как альтернатива литию
В рамках исследования цинк рассматривается как альтернатива литию. Цинк значительно дешевле и экологичнее: его запасы примерно в сто раз превышают запасы лития, его легче добывать и перерабатывать. цинк выигрывает и по безопасности. Литий-ионные батареи требуют сложных систем охлаждения и защиты от короткого замыкания, так как литий активен и пожароопасен. Цинк же стабилен на воздухе, нетоксичен и легко поддаётся вторичной переработке. Это особенно важно для масштабных накопителей, которые будут устанавливаться вблизи жилых районов или на промышленных объектах: снижение рисков возгорания и упрощение утилизации делают технологию более привлекательной для массового внедрения.
«Будущее накопителей энергии не будет определяться одной единственной технологией, — отметил соавтор работы Махер Эль-Кади, младший научный сотрудник кафедры химии и биохимии Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. — В определённый момент нам понадобится нечто, что дополнит уже существующие варианты хранения энергии в масштабах энергосистемы. То, что мы сделали в этом исследовании, по сути, даёт нам гибридные устройства на основе цинковых ионов, способные накапливать почти на порядок больше энергии».
Гибридная конструкция объединяет в себе принципы работы аккумулятора и суперконденсатора. Один электрод устройства накапливает энергию так же, как в традиционных литий-ионных батареях, а другой использует углеродный электрод, как в суперконденсаторах. Суперконденсаторы известны своей способностью быстро заряжаться и разряжаться, а также долгим сроком службы, однако они обычно запасают меньше энергии, потому что заряд удерживается только на поверхности их электродов.
Исследователи смогли преодолеть это ограничение, увеличив площадь поверхности углеродного электрода и покрыв его оксидом ванадия — материалом, который способен накапливать значительное количество энергии. Благодаря этому гибридное устройство стало запасать гораздо больше заряда, чем аналогичные конденсаторные системы.
Открытие калифорнийских учёных открывает новые перспективы для интеграции возобновляемых источников энергии в общие энергосистемы. Солнечные и ветровые электростанции страдают от нестабильности выработки: энергия поступает неравномерно, и её необходимо накапливать в периоды пиковой генерации, чтобы отдавать в часы низкой активности.
Цинк-ионные гибридные батареи с трёхмерными электродами способны работать как буферные накопители, быстро принимая заряд при избытке энергии и так же быстро отдавая его при дефиците. При этом их долговечность — сохранение 82 % ёмкости после полутора тысяч циклов — делает их экономически оправданными для многолетней эксплуатации без частой замены.
Электрод, напечатанный на 3D-принтере, увеличивает емкость накопителя
Электрод, напечатанный на 3D-принтере, имеет сотовую или губчатую структуру с множеством крошечных полостей. Его изготовили с помощью технологии трёхмерной печати, при которой жидкая смола мгновенно затвердевает под действием ультрафиолетового лазера. После печати команда провела обработку нагревом и газом, удалив всё, кроме проводящего углерода с открытыми порами. Затем химическим способом на углеродную основу нанесли оксид ванадия.
Полученный электрод обладал огромной внутренней поверхностью. По данным исследования, если расплющить один грамм этого материала в лист, он покроет площадь примерно десяти теннисных кортов. В испытаниях устройство накопило более чем в семь раз больше заряда, чем обычные конденсаторы, и сохранило 82 % своей ёмкости после полутора тысяч циклов разрядки и перезарядки.
Важно и то, что технология трёхмерной печати позволяет гибко подстраивать форму электрода под конкретные задачи. Сотовая структура с открытыми порами может быть оптимизирована для разных режимов работы: например, для систем, требующих сверхбыстрой отдачи энергии, или для тех, где приоритет — максимальная ёмкость при медленной разрядке.
Возможность печатать не только электроды, но и корпуса тестовых ячеек существенно удешевляет исследования и ускоряет внедрение новых конфигураций в промышленность. Учёные уже продемонстрировали, что напечатанная на 3D-принтере ячейка даёт более точные и воспроизводимые результаты, чем традиционные открытые стаканы, а стоимость её изготовления в разы ниже готовых стеклянных аналогов.
Слева направо: соавтор Махер Эль-Кади, первый автор София Уэмура и соавтор Рик Канер. Автор: Джулия Ху и Хай Ко Тиет. Источник: newsroom.ucla.edu
Тестовая ячейка, напечатанная на 3D-принтере, улучшает качество лабораторных измерений
Также в рамках работы была создана тестовая ячейка, напечатанная на 3D-принтере. Она призвана улучшить качество измерений экспериментальных накопителей энергии в научных лабораториях. Многие лаборатории до сих пор используют простые установки: раствор электролита и два электрода в открытом стакане. Хотя существуют готовые стеклянные ячейки, их цена может превышать тысячу долларов. Открытый стакан дешевле, но у него есть серьёзные недостатки — испарение электролита и нестабильное положение электродов.
«Мы надеемся, что эта концепция окажется полезной для других исследователей в этой области и поможет получать более точные измерения и надёжные данные для своих устройств», — отметила первый автор работы София Уэмура, недавно защитившая докторскую диссертацию в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе.
Возможна ли коммерциализация устройства
Тем не менее, до коммерциализации предстоит решить ряд задач. Пока прототипы демонстрируют высокие показатели в лабораторных условиях, но для реальных энергосистем необходима проверка на крупных ячейках и при переменных нагрузках.
Также важно убедиться, что оксид ванадия, используемый в качестве активного покрытия, не теряет своих свойств после тысяч циклов в реальных условиях — при колебаниях температуры и влажности. Учёные из Калифорнийского университета уже работают над масштабированием процесса 3D-печати, чтобы в будущем выпускать электроды метровой длины, пригодные для промышленных аккумуляторных сборок.
Если эти препятствия будут преодолены, гибридные цинк-ионные батареи с напечатанными электродами могут стать ключевым элементом энергоперехода. Они не заменят литий-ионные аккумуляторы в портативной электронике или электромобилях, но идеально подойдут для стационарных накопителей на солнечных и ветровых электростанциях, а также для систем резервного питания на предприятиях.
В сочетании с дешевизной, долговечностью и экологичностью цинка эта технология способна сделать возобновляемую энергетику по-настоящему автономной и надёжной. Исследование было опубликовано в журнале Small .
Аддитивные технологии стали трендом во многих сферах промышленности и науки. Мы рассказывали, что во Франции построен первый многоквартирный дом на 3D-принтере всего за 34 дня.
А также информировали, что передовая технология 3D-печати металлом сводит к минимуму количество болтов, соединений и точек отказа в конструкциях газовых турбин.
А специалисты Массачусетского технологического института (MIT), Швейцарской EPFL и Университета Цинцинати создают крошечных роботов, напечатанных на 3D-принтере, которые путешествуют внутри человеческого тела и выполняют медицинские исследования.
