Вчені з Сеульського національного університету розв'язали проблему, через яку водні цинкові батареї досі не могли стати масовими. Весь фокус – у зміні однієї-єдиної молекули в електроліті.
Дослідники з Південної Кореї показали, що іноді для революції достатньо дрібної правки. Їхні тестові осередки на оновленому електроліті показали середню кулонівську ефективність 99,96% і витримали понад 600 циклів заряду-розряду без деградації. Для порівняння – попередні версії здихалися вже після 381 циклу.
Цинк-іонні батареї – це не черговий хайп. Це спроба вирватися з літієвої залежності через дешеві та доступні матеріали: цинк і звичайну воду. Плюс безпека – вони не горять, як деякі літій-іонники, які ми всі любимо тримати в кишені.
“Пошук безпечніших, доступніших і більш екологічних технологій накопичення енергії спонукав до масштабних досліджень альтернатив звичним літій-іонним батареям”, – пишуть автори у своїй статті.
Водні цинк-іонні акумулятори мають купу переваг: природна безпека, низька собівартість і чудові електрохімічні властивості цинкового анода. Але є нюанс.
Найбільші проблеми виникають на межі електрода і рідкого електроліту. Молекули води в електроліті розкладаються, а цинк осідає нерівномірно, утворюючи дендрити – такі собі металеві “зарості”, які можуть спричинити коротке замикання.
Корейці вирішили не боротися з наслідками, а переробити сам електроліт. Точніше – його співрозчинник.
Команда взяла звичний триетилфосфат (TEP) і замінила в ньому одну етоксигрупу на дифторметильну. Вийшла нова сполука – діетил(дифторметил)фосфонат (DEDFP).
Здавалося б, дрібниця. Але результат:
Модифікована молекула слабше взаємодіє з іонами цинку, тому їм легше “скидати” сольватну оболонку і осідати на електрод. А ще вона гідрофобна – відштовхує воду від поверхні електрода. Це фізичний бар’єр, який придушує розкладання води – головну причину втрати ефективності.
Ще один ефект DEDFP – утворення стабільного захисного шару на поверхні цинкового електрода. Під час першого заряду модифікована молекула легше відновлюється, що запускає розпад дифторметильної групи.
“Цей процес відновлення може спричинити розкладання дифторметильної частини з утворенням пасивуючого SEI-шару зі складу ZnF₂ на поверхні анода”, – йдеться у дослідженні.
Цей шар – твердий електролітний інтерфейс – пропускає іони цинку, але блокує воду та інші реактивні речовини.
У симетричних осередках електроди з DEDFP показували стабільні профілі напруги навіть при високих густинах струму. Електронна мікроскопія виявила: цинк осідав рівними горизонтальними шарами. Ніяких дендритів.
У повноцінних комірках із катодом V₆O₁₃ система з DEDFP зберігала ємність на високих швидкостях заряду-розряду, тоді як інші версії швидко деградували.
