Светът се нуждае от евтини и мощни батерии, които могат да съхраняват устойчиво произведена електроенергия от вятър или слънчева светлина, така че да можем да я използваме, когато имаме нужда от нея, дори когато навън е тъмно или не духа вятър. Най-често срещаните батерии, които захранват нашите смартфони и електрически автомобили, са литиево-йонни батерии. Те са доста скъпи, защото търсенето на литий в световен мащаб нараства, а освен това тези батерии са лесно запалими.
Цинковите батерии на водна основа предлагат обещаваща алтернатива на тези литиево-йонни батерии. Международен екип от изследователи, ръководен от ETH Цюрих, сега е разработил стратегия, която носи ключов напредък в разработването на такива цинкови батерии, правейки ги по-мощни, по-безопасни и по-щадящи околната среда.
Издръжливостта е предизвикателство
Има редица предимства на цинковите батерии: цинкът е изобилен, евтин е и има развита инфраструктура за рециклиране. Освен това цинковите батерии могат да съхраняват много електричество. Най-важното е, че цинковите батерии не изискват непременно използването на силно запалими органични разтворители като електролитна течност, тъй като вместо това те могат да бъдат направени с помощта на електролити на водна основа.
Само ако нямаше предизвикателства, с които инженерите трябва да се сблъскат при разработването на тези батерии: когато цинковите батерии се зареждат при високо напрежение, водата в електролитната течност реагира на един от електродите, за да образува водороден газ. Когато това се случи, електролитната течност намалява и производителността на батерията намалява. Освен това тази реакция води до натрупване на излишно налягане в батерията, което може да бъде опасно. Друг проблем е образуването на остри отлагания на цинк по време на зареждане на батерията, известни като дендрити, които могат да пробият през батерията и в най-лошия случай дори да причинят късо съединение и да направят батерията неизползваема.
Солите правят батериите токсични
През последните години инженерите преследваха стратегията за обогатяване на водния течен електролит със соли, за да поддържат съдържанието на вода възможно най-ниско. Но това има и недостатъци: прави електролитната течност вискозна, което значително забавя процесите на зареждане и разреждане. Освен това много от използваните соли съдържат флуор, което ги прави токсични и вредни за околната среда.
Мария Лукацкая, професор по електрохимични енергийни системи в ETH Zurich, сега обедини сили с колеги от няколко изследователски институции в Съединените щати и Швейцария, за да търси систематично идеалната концентрация на сол за цинково-йонни батерии на водна основа. Използвайки експерименти, подкрепени от компютърни симулации, изследователите успяха да разкрият, че идеалната концентрация на сол не е, както се предполагаше преди, най-високата възможна, а относително ниска: пет до десет водни молекули на положителен йон на солта. Констатациите са публикувани в списание Energy & Environmental Science.
Дълготрайна производителност и бързо зареждане
Нещо повече, изследователите не са използвали никакви вредни за околната среда соли за своите подобрения, а вместо това са избрали екологични соли на оцетната киселина, наречени ацетати. „С идеална концентрация на ацетати успяхме да сведем до минимум изчерпването на електролита и да предотвратим цинковите дендрити точно толкова добре, колкото други учени по-рано правеха с високи концентрации на токсични соли“, казва Дарио Гомес Васкес, докторант в групата на Лукацкая и водещ автор на ученето. „Нещо повече, с нашия подход батериите могат да се зареждат и разреждат много по-бързо.“
Досега изследователите на ETH са тествали новата си стратегия за батерии в сравнително малък лабораторен мащаб. Следващата стъпка ще бъде да разширим подхода и да видим дали може да бъде преведен и за големи батерии. В идеалния случай те биха могли един ден да се използват като единици за съхранение в електрическата мрежа, за да компенсират флуктуациите, да речем, или в мазетата на еднофамилни къщи, за да позволят слънчевата енергия, произведена през деня, да се използва вечер.
Все още има някои предизвикателства за преодоляване, преди цинковите батерии да бъдат готови за пазара, както обяснява професор Лукацкая от ETH: батериите се състоят от два електрода – анод и катод – и електролитна течност между тях. „Ние показахме, че чрез настройване на електролитния състав може да се активира ефективно зареждане на цинкови аноди“, казва тя. „Занапред обаче качествените катодни материали също ще трябва да бъдат оптимизирани, за да се реализират издръжливи и ефективни цинкови батерии.“