Светът се нуждае от евтини и мощни батерии, които могат да съхраняват устойчиво произведена електроенергия от вятъра или слънцето, 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-йонните батерии. Те са доста скъпи, защото търсенето на литий в световен мащаб нараства, а освен това тези батерии са и лесно запалими.
Визуализация: ETH Zurich / Xin Zou
Цинковите батерии на водна основа предлагат обещаваща алтернатива на литиево-йонните батерии. Международен екип от изследователи, ръководен от Швейцарският федерален технологичен институт в Цюрих, Швейцария (ETH Цюрих), е разработил стратегия, която носи ключов напредък в разработването на цинковите 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 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, а вместо това могат да бъдат направени с помощта на електролити на водна основа.
Но има и някои предизвикателства, с които инженерите 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. Това води до намаляване на производителността на батерията и до натрупване на излишно налягане, 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 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 Цюрих, заедно с колеги от няколко изследователски институции в САЩ и Швейцария, изследват систематично идеалната концентрация на сол за цинково-йонни батерии на водна основа. Използвайки експерименти, подкрепени от компютърни симулации, изследователите откриват, 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.
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, екипът на проф. Лукацкая успява да сведе до минимум изчерпването на електролита и да предотврати цинковите дендрити точно толкова добре, колкото други учени по-рано правят с високи концентрации на токсични соли. Този подход позволява на батериите да се зареждат много по-бързо.
Досега изследователите на ETH Цюрих са тествали новата си стратегия за батерии в сравнително малък лабораторен мащаб. Следващата стъпка ще бъде да разширят подхода и да видят 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 колебанията, 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 проф. Лукацкая: батериите се състоят от два електрода - анод и катод - и електролитна течност между тях. „Ние показахме, че чрез настройване на състава на електролита 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.“