В исследовании, опубликованном недавно в журнале Angewandte Chemie, ученые объявили о значительном шаге к созданию высокопроизводительных и недорогих цинк-серных батарей.

Это исследование знаменует собой большой шаг вперед в разработке более безопасных и устойчивых решений для хранения энергии, — говорит Чейз Као, главный исследователь и доцент кафедры механической и аэрокосмической инженерии инженерного факультета Кейса.

Водные цинк-серные батареи способны обеспечить энергией широкий спектр приложений — от систем возобновляемой энергии до портативной электроники — при снижении воздействия на окружающую среду и уменьшении зависимости от дефицитных материалов.

Литий-ионные батареи, хотя и широко используются, являются дорогостоящими, используют относительно редкие материалы и сложны в производстве. В отличие от них, цинк-серные батареи используют более распространенные и недорогие материалы и имеют меньше проблем с экологией и безопасностью.

Однако такие проблемы, как коррозия цинкового анода, низкая проводимость и рост дендритов, исторически препятствовали их коммерческой жизнеспособности.

Команда Цао преодолела эти препятствия, введя две ключевые добавки: метиловый эфир пропиленгликоля и йодистый цинк. Эта технология позволила добиться нескольких важнейших улучшений: повысить энергоемкость на 20%, улучшить проводимость и стабильность, а также подавить рост цинковых дендритов.

Если дендриты соединяют положительную и отрицательную стороны батареи, это может привести к короткому замыканию и возгоранию — еще одной серьезной проблеме литий-ионных батарей.

Эти добавки не только повышают эффективность батарей, но и решают давние проблемы безопасности, уменьшая образование дендритов, — говорит Гуйин Сюй, профессор Университета Донхуа в Шанхае и один из авторов работы.

В результате мы получили компактную батарею повышенной плотности, которая может перезаряжаться большее количество раз без значительной деградации.

Последствия этого прорыва выходят за рамки доступности и безопасности. Цинково-серные батареи имеют более высокую плотность энергии, чем литий-ионные аналоги, что позволяет создавать более компактные и долговечные конструкции. Это может стать решающим фактором для накопителей возобновляемой энергии и устройств, требующих надежности и эффективности.

Основной интерес Цао в разработке более совершенных батарей заключается в создании новой мягкой робототехники и передовых сенсорных систем, которые зависят от емких и долговечных батарей. Например, он разрабатывает биологически вдохновленных плавающих роботов, выносливость которых зависит от прочных, легких батарей, способных обеспечить длительные миссии без сбоев — робот не может разрядиться во время миссии или никогда не вернется обратно. Цао, который руководит лабораторией мягких машин и электроники в CWRU, также разрабатывает новые технологии для освоения космоса и ведения сельского хозяйства, а также для удаления вездесущего и опасного космического мусора.

Ранее ученые сообщили, что в основу анодов новых батарей положат сульфид сурьмы.