Южнокорейские исследователи разработали наноразмерное цинковое анодное покрытие для повышения стабильности цинк-ионных аккумуляторов на водной основе
Аккумулятор Challenger AS12-7.0E
Тонкое полимерное покрытие продлевает срок службы литий-ионных аккумуляторов, предотвращая образование дендритов и вредных побочных реакций.
Исследователи из Национального университета Чхуннам в Южной Корее разработали тонкое защитное покрытие, которое повышает производительность и продлевает срок службы водных цинк-ионных аккумуляторов (ZIB). Цинк-ионные аккумуляторы являются более безопасной и дешёвой альтернативой литий-ионным элементам, но для того, чтобы бросить вызов литию, ещё многое предстоит сделать.
В ZIB-аккумуляторах вместо легковоспламеняющихся жидкостей, используемых в литий-ионных аккумуляторах, применяются электролиты на водной основе. Это делает их более безопасными, но на цинковых анодах всё равно могут образовываться игольчатые дендриты, что является распространённой проблемой для многих аккумуляторных технологий, а также могут возникать нежелательные побочные химические реакции во время зарядки и разрядки, что сокращает срок службы и надёжность аккумулятора.
Существующие покрытия могут препятствовать движению ионов цинка, а новые селективные ионно-транспортные слои (SITL) могут быть дорогими и сложными в изготовлении.
Исследовательская группа под руководством доцента Ву Джин Сонга разработала слой полиакриловой кислоты с цинковой связью (ZHP), который имеет наноразмерную толщину, прост в производстве и прочно соединяется с анодом. Этот слой не растворяется в электролите, позволяет ионам цинка свободно перемещаться и снижает уровень коррозии, образования газообразного водорода и пассивации поверхности.
В ходе испытаний цинковые аноды с покрытием ZHP проработали более 2200 часов в симметричных элементах без существенной потери производительности, в отличие от цинка без покрытия, срок службы которого был гораздо короче. В полноэлементных батареях они сохранили 95 % ёмкости после 500 циклов при токе 1 А г⁻¹. В аккумуляторных батареях они прослужили более 300 циклов при высоком токе 10 мА см⁻². Сообщается также, что покрытие способствует равномерному отложению цинка в виде кристаллической структуры, что повышает эффективность.
Сонг сказал, что сочетание безопасности, долговечности и низкой стоимости по сравнению с SITL может сделать эти ZIB-накопители подходящими для широкого спектра применений, включая хранение энергии в сети, использование в датчиках и портативной электронике.
«В ходе этого исследования мы разработали наноразмерный защитный слой из полиакриловой кислоты с цинковой связью (Zn–PAA) для цинковых анодов с помощью обработки кислородной плазмой, — объясняет Сонг. — В отличие от обычных толстых и сложных покрытий, наш подход предполагает более простой процесс изготовления и масштабируется для применения на больших площадях».
В то время как литий-ионные аккумуляторы остаются основной технологией производства аккумуляторов, а интерес к натрий-ионным аккумуляторам растёт, подобные разработки важны для того, чтобы помочь цинк-ионным аккумуляторам конкурировать на рынках, где безопасность и стоимость являются приоритетными факторами. Продолжительность работы и количество циклов в лабораторных условиях обнадеживают, но всё же не дотягивают до основных литий-ионных аккумуляторов.
Исследование было опубликовано в 515-м выпуске Химико-технологического журнала 1 июля 2025 года с DOI