Представьте, что обычная батарейка в вашем устройстве внезапно получила второе дыхание: стала заряжаться быстрее, работать дольше и гнуться как угодно без потери мощности. Именно это и произошло в лаборатории Ляна Хэ из Сычуаньского университета. Ученые нашли способ кардинально улучшить никель-цинковые аккумуляторы, которые считались довольно скромными по своим возможностям.

Подробности опубликованы в издании Nano-Micro Letters.

Проблема таких батарей всегда была в катоде на основе никеля. Он медленно проводит ток, не весь его объем участвует в реакции и со временем он разрушается. Все это сильно ограничивало емкость и мощность. Китайские исследователи придумали, как одним выстрелом убить двух зайцев. Они создали на поверхности катода из гидроксида никеля-кобальта (NiCo-LDH) специальный двойной слой фосфидов никеля и кобальта (Ni2P/Co2P).

Этот слой работает как скоростная магистраль для электронов и одновременно как дополнительный резервуар для хранения энергии. Он проводит ток почти как металл и сам участвует в электрохимических реакциях, добавляя новую ступеньку разряда. Представьте, что ваш бензобак неожиданно оказался с двойным дном.

Как это сделали? Исходный материал обработали при невысокой температуре фосфором. В результате поверхность превратилась в фосфиды, а сердцевина осталась прежней. На границе этих двух фаз создаются идеальные условия для быстрого движения зарядов.

Благодаря такому трюку батареи показали рекордные цифры:

• Энергия: 503.62 Вт·ч на килограмм при мощности 493 Вт/кг.
• Мощность: 18.62 кВт/кг при энергии 336 Вт·ч/кг.

Но лабораторные рекорды — это одно, а гибкое и практичное устройство — другое. Ученые собрали прототип плоской аккумуляторной ячейки размером 2 на 2 сантиметра на гелевом электролите. Ее можно было сгибать сотни раз, и она продолжала питать электронный таймер. А три таких ячейки, соединенные последовательно, зажгли полноценную неоновую вывеску с 80 светодиодами.

Самое приятное, что метод обещает быть недорогим и масштабируемым. Он использует доступные материалы (никель, кобальт) и простой процесс обработки, который можно адаптировать для промышленного производства. Это открывает путь не только для гибкой электроники, но и для создания новых систем хранения энергии для сетей.

Реальная польза этой работы выходит далеко за рамки академических журналов. Мы стоим на пороге появления нового класса безопасных, дешевых и невероятно энергоемких аккумуляторов.

• Во-первых, это прямая дорога к настоящей гибкой и носимой электронике: смарт-одежда, медицинские датчики, вживляемые устройства и мягкая робототехника перестанут быть ограниченными громоздкими и жесткими источниками питания. Батарея может стать частью ткани или корпуса.
• Во-вторых, это шанс для стационарных накопителей энергии. Водные цинковые батареи, в отличие от литиевых, не горят и используют доступные материалы. Проблемой была их низкая энергоемкость. Теперь этот барьер, похоже, сломан. Если технологию довести до промышленного уровня, мы получим безопасные и дешевые накопители для солнечных парков и ветряков, способные отдавать огромную мощность за короткое время.

Основной вопрос, который остался за кадром в этом блестящем исследовании, — это долговременная циклическая стабильность в реальных, а не идеальных лабораторных условиях. 150 циклов для гибкого прототипа — хорошее начало, но для коммерции нужно как минимум на порядок больше. Не до конца ясна судьба цинкового анода в таких условиях: при высоких плотностях тока и длительной работе неизбежно возникает проблема дендритов (игольчатых наростов), которые могут привести к короткому замыканию. Авторы упоминают это в «будущих исследованиях», но именно комплексное решение проблем и катода, и анода определит судьбу технологии.

Ранее российские ученые разработали экоаккумулятор на основе хинонов.