В сфере хранения энергии появился перспективный кандидат на роль ключевого элемента энергосистем будущего — цинк‑ионная гибридная батарея с электродом, созданным методом 3D‑печати. Разработку представили ученые Калифорнийского университета в Лос‑Анджелесе. Устройство хранит в семь раз больше заряда по сравнению с аналогичными гибридными системами, а использование цинка — его запасы в земной коре примерно в 100 раз превышают литиевые — делает технологию доступнее и экологичнее.
Батарея совмещает два подхода: один терминал работает по принципу литий‑ионного аккумулятора, второй использует углеродный электрод, схожий с применяемыми в суперконденсаторах. Их сильная сторона — быстрая зарядка, разрядка и долгий срок службы, но емкость ограничена из‑за накопления энергии только на поверхности электродов. Исследователи радикально увеличили эту площадь, придав электроду пористую структуру наподобие сот. Для этого применили 3D‑печать из жидкой смолы, затвердевающей под ультрафиолетовым лазером, затем провели термообработку, продувку газом и нанесли оксид ванадия. В итоге один грамм материала по суммарной площади внутренних стенок условно покрывает около 10 теннисных кортов.
Будущее накопителей энергии не будет определяться какой‑то одной технологией. В какой‑то момент нам нужно будет найти что‑то, что дополнит существующие варианты хранения энергии в масштабах энергосистемы. То, что мы сделали в этом исследовании, по сути, даёт нам гибридные устройства с ионами цинка, которые могут хранить почти на порядок большую емкость.
Дополняет разработку новая 3D‑печатная испытательная ячейка. Ее герметичность и фиксирующие пазы устраняют проблемы стандартных открытых установок — испарение электролита и смещение электродов, из‑за которых результаты искажаются. Эксперимент показал разницу: в новой ячейке электроды сохраняют 98% заряда после 1500 циклов, в открытой — выходят из строя менее чем за 100 циклов.
Результаты опубликованы в журнале Small. По словам первого автора работы Софии Уэмуры, недавно получившей докторскую степень в Калифорнийском университете в Лос‑Анджелесе, доступность 3D‑печати позволяет быстро изготовить подобную тестовую камеру. Сама батарея сохраняет 82% емкости после 1500 циклов заряда‑разряда — этот показатель подтверждает ее практическую ценность для энергосистем будущего.
Ранее Наука Mail рассказывала, что создан электролит для работы батарей в экстремальном холоде.
