Новые цинк-воздушные батареи: безопасность и долговечность

Исследовательская группа из Мексики представила инновационную батарею, способную функционировать даже после прокола и погружения в воду. Эти условия, как правило, приводят к возгоранию современных литий-ионных аккумуляторов, используемых в смартфонах и электромобилях.

Сверхпрочный прототип разработан Ноэ Архоной и его коллегами из Центра передовых материаловедческих исследований в Чиуауа, Мексика. "Мы избегаем использования литий-ионных батарей из-за серьёзных опасений, связанных с воспламеняемостью электролитов, применяемых в таких технологиях", — отмечает Архона. Вместо этого команда создала металл-воздушную батарею, где взаимодействие металла с кислородом из воздуха заменяет легковоспламеняющуюся жидкость.

"Многие металлы также вызывают опасения с точки зрения безопасности при использовании в аккумуляторах. Большинство наиболее активных материалов входят в список критически важных. Поэтому мы стремились использовать минимальное количество металла", — поясняет Архона. Вместо массивного металлического компонента внутри батареи, учёные разработали углеродную основу с отдельными атомами никеля.

Специалисты использовали мощный источник света Канадского центра синхротронного излучения (CLS) для молекулярного анализа своего прототипа. Было подтверждено, что конструкция содержит атомы никеля в одиночном состоянии. В сочетании с новыми гелевыми полимерными электролитами и цинком это позволило полностью исключить риски безопасности, связанные с аккумуляторами, содержащими большое количество металла и легковоспламеняющиеся электролиты. Результаты исследования опубликованы в журнале ACS Applied Materials & Interfaces.

Команда подвергла свою разработку ряду испытаний: протыкание гвоздём, воздействие пламени и погружение в воду. Прототип продолжал работать во всех этих экстремальных условиях.

Помимо повышенной безопасности, конструкция батареи устойчива к температурным перепадам. "В Канаде существуют значительные трудности с зарядкой аккумуляторов при очень низких температурах, например, в электромобилях", — подчёркивает Архона. "Наша технология не сталкивается с подобными проблемами при экстремально низких или высоких температурах".

Поскольку команда сосредоточена на использовании таких металлов, как никель, которые более распространены и доступны по цене, чем литий и кобальт, их разработка может привести к созданию более дешёвых аккумуляторов.

Архона и его коллеги также работают над повышением экологичности батарей, включая интеграцию биоразлагаемых компонентов. После окончания срока службы такие материалы могут способствовать обогащению почвы и росту растений. В последующих исследованиях планируется внедрить биопластик в конструкцию и использовать вместо никеля железо, широко распространённое в почве.

Несмотря на энтузиазм команды относительно потенциала новой разработки, Архона отмечает, что для полной замены существующих батарей необходимы дальнейшие исследования. "Для создания абсолютно безопасных аккумуляторов необходимо использовать однoатомные катализаторы", — заявляет он. "Это будущее энергетических хранилищ".