Ученые создали батарею, которая заряжается за 3 минуты и выдерживает более 60 000 циклов

Исследователи из Университета Флиндерса в Австралии сообщили о новых успехах в разработке водных цинк-йодных аккумуляторов. Речь идет о технологии, которую рассматривают как потенциальную альтернативу литий-ионным батареям, особенно для больших систем накопления энергии. Об этом пишет Techradar.

В чем особенность новой батареи?

Экспериментальные элементы, созданные на основе новой конструкции, смогли выдержать более 60 000 циклов заряда и разряда. Кроме того, их можно зарядить примерно за три минуты.

В то же время важно учитывать масштаб результата. Речь идет именно о небольшом лабораторном элементе, а не о полноразмерном аккумуляторе для смартфона, электромобиля или системы хранения электроэнергии. Исследование опубликовано в журнале"Angewandte Chemie". Именно в нем ученые описали новый подход, который должен решить одну из главных проблем цинк-йодных батарей – постепенное ухудшение их характеристик в процессе эксплуатации.

Почему цинк-йодные аккумуляторы считаются перспективными?

Водные цинк-йодные батареи, или AZIB, используют электролит на водной основе. Это принципиально отличает их от традиционных литий-ионных аккумуляторов, в которых применяются органические электролиты.

Одним из потенциальных преимуществ такого подхода является повышенная безопасность. Водная основа значительно снижает риск возгорания и взрыва, который является одним из известных недостатков литий-ионных аккумуляторов. Это особенно важно для больших систем накопления энергии, где одновременно работают тысячи аккумуляторных элементов. Для таких установок безопасность имеет не меньшее значение, чем энергетическая плотность, скорость зарядки или срок службы.

Кроме того, цинк и йод потенциально могут быть более доступными для масштабного использования, чем материалы, от которых зависит современное производство литий-ионных батарей. Поэтому такая технология может снизить нагрузку на цепочки поставок сырья для аккумуляторной индустрии.

Несмотря на преимущества, у цинк-йодных батарей есть серьезная проблема. Во время зарядки и разрядки внутри аккумулятора происходят химические реакции, из-за которых батарея постепенно теряет стабильность и свои характеристики. Команда Университета Флиндерса предложила решить эту проблему с помощью специальной молекулярной структуры.

Исследователи создали молекулярную "клетку", которая удерживает йод внутри системы. Ее конструкция должна быть достаточно прочной, чтобы не позволять йоду покидать нужную зону аккумулятора, но в то же время не настолько ограничивающей, чтобы блокировать необходимые химические реакции.

Именно контроль поведения йода позволил повысить стабильность батареи. В результате лабораторные элементы продемонстрировали значительно более длительный срок работы. Более 60 000 циклов заряда и разряда – это показатель, который потенциально может сделать технологию привлекательной для применений, где аккумулятор должен работать годами с очень частыми циклами.

Скорость зарядки также является важным преимуществом. По данным исследователей, небольшой экспериментальный элемент может полностью заряжаться примерно за три минуты.

Сможет ли такая батарея заменить литий-ионные?

Пока что говорить о непосредственной замене литий-ионных аккумуляторов в смартфонах, ноутбуках или электромобилях преждевременно. Главная причина заключается в том, что исследователи пока не создали полноразмерный работоспособный прототип. Нынешние результаты получены на небольших лабораторных элементах.

Именно поэтому главным направлением для этой технологии пока называют крупномасштабное накопление энергии.

Например, такие аккумуляторы потенциально могут использоваться для хранения электроэнергии, производимой солнечными электростанциями. Днем система будет накапливать избыточную электроэнергию, а затем отдавать ее в сеть, когда выработка снижается. Для такого применения особенно важны долговечность и безопасность. Аккумуляторная система может регулярно проходить циклы заряда и разряда, поэтому способность выдерживать десятки тысяч циклов является значительным преимуществом.

Что еще нужно сделать перед масштабированием?

Несмотря на впечатляющие результаты лабораторных испытаний, технология пока находится на ранней стадии развития.

Ученым еще предстоит доказать, что их подход можно перенести с небольших элементов на полноразмерные аккумуляторные системы. Также необходимо проверить, как технология будет вести себя при масштабировании производства и длительной эксплуатации в реальных условиях.

То есть показатель в более чем 60 000 циклов не означает, что уже существует готовый аккумулятор, который можно установить вместо батареи смартфона или электромобиля.

В то же время результат демонстрирует, что одна из ключевых проблем водных цинк-йодных систем может быть решена на уровне химии аккумулятора. Профессор химии Чжунфань Цзя из Университета Флиндерса считает, что технология уже приближается к практическому применению.

Аккумуляторы на основе водного цинка и йода становятся жизнеспособной альтернативой литий-ионным батареям для крупномасштабного накопления энергии, и наша группа сейчас сотрудничает с промышленностью для создания платформы прототипирования этой аккумуляторной системы, – сказал Цзя.

Таким образом, следующим этапом работы станет не просто совершенствование лабораторного элемента, а создание полноценных прототипов, которые можно будет испытать в условиях, приближенных к реальному использованию.

Если исследователям удастся сохранить высокую циклическую стабильность и быструю зарядку после масштабирования, цинк-йодные аккумуляторы могут стать одним из кандидатов на роль более безопасной альтернативы литий-ионным системам для больших энергетических объектов.